Тепло
Что делает предмет горячим или холодным? В течение многих лет считалось, что тепло — это некое вещество, содержащееся в нагретом предмете. Полагали, что при соприкосновении с холодным предметом тепловое вещество проникает из горячего предмета в холодный и выравнивает их температуры. Но в середине прошлого века стало ясно, что тепло есть энергия, а именно энергия неупорядоченного движения молекул и атомов. При нагревании куска вещества все изменение состоит в том, что его наименьшие единицы совершают более быстрые и беспорядочные движения.
Рассмотрим несколько примеров. Мы видели, что в вольфрамовой игле атомы расположены в виде правильного узора. Как же они могут совершать беспорядочные движения? Будучи нагреты, они колеблются вокруг предписанных им мест, совокупность которых образует упорядоченную структуру. Конечно, это возвратно-поступательное движение частично обусловливает размытость картины на фото III.
При более высокой температуре ее размытость еще увеличивается. При очень высокой температуре размах колебаний становится сравнимым с расстоянием между соседними атомами и их расположение перестает быть упорядоченным. Это происходит при нагреве металла до температуры его плавления.
В газе, например в воздухе, тепловое движение молекул — это обычное прямолинейное движение, когда каждая молекула перемещается в пространстве хаотическим образом, сталкиваясь с другими молекулами и со стенками. Чем выше температура, тем быстрее движение. В холодный день (—18 °C) средняя скорость молекул воздуха примерно равна 400 м/сек (1440 км/час), а в жаркий день (38 °C) — приблизительно 440 м/сек (1600 км/час). Разница между очень холодным и очень жарким днем дает различие скоростей, равное лишь 10 %. Мы замечаем эту разницу в скоростях по изменению давления в автомобильных шинах. Давление воздуха обусловливается ударами его молекул о стенки (сосуда); передаваемый стенкам импульс пропорционален квадрату скорости[27]. Уменьшение скорости молекул на 10 % вызывает уменьшение импульса на 20 %, и поэтому при снижении температуры с +38 °C до —18 °C давление в шинах падает на 20 %.
Несмотря на огромную скорость движения молекул при обычных температурах, они не «улетают» очень далеко. Их «полет» постоянно прерывается столкновениями с другими молекулами. В воздухе их средний свободный и непрерываемый путь составляет только одну стотысячную долю сантиметра. Поэтому их полет больше всего напоминает беспорядочное метание с указанной выше скоростью, причем направление движения изменяется через каждую стотысячную сантиметра пути.
Тепловое движение в любом веществе, твердом или газообразном, полностью прекращается при —273 °C, так называемом абсолютном нуле температуры. При этой температуре все беспорядочное движение молекул прекращается, и ясно, что она является наименьшей возможной температурой.
Молекулы и атомы
Можно ли разделить описанные выше наименьшие единицы материи на еще меньшие? Можно, но тогда эти части уже не будут принадлежать тому же веществу. Молекула воды есть наименьшая единица воды. Части этой молекулы окажутся уже не водой, а водородом и кислородом.
Разбить молекулу на ее составные части значительно труднее, чем разбить само вещество на молекулы. Например, когда мы кипятим воду и получаем пар, мы разделяем вещество воды на молекулы. Вода в форме пара — это газ, частицы которого, молекулы, летают в пространстве каждая в отдельности, но оставаясь неразделенной, целой единицей. Но если через пар пропустить мощный искровой разряд, то часть молекул раздробится, и мы получим водород и кислород. Искра — значительно более сильный источник энергии, чем процесс кипячения. В некоторых случаях сильное нагревание тоже расщепляет молекулы и превращает одно вещество в другое.
Опыт, накопленный за все время развития химии, показал, что некоторые вещества можно разложить в другие интенсивным нагреванием, электрической искрой или другим сильным воздействием и что два вещества можно соединить, получая при этом новое химическое соединение. Водород и кислород можно соединить в воду, а кусок кварца можно разложить на кислород и кремний.
27
Импульс, который несет каждая молекула, пропорционален ее скорости. Число ударов молекул о стенку в секунду опять-таки пропорционально их скорости, так что передаваемый в секунду импульс пропорционален квадрату скорости. Переданный за единицу времени импульс есть не что иное, как сила, в данном случае — давление. (