Что такое теплота?
В обыденной жизни мы различаем тела теплые и тела холодные. Но что же такое теплота?
«Очень хорошо известно, — говорил Ломоносов, — что теплота возбуждается движением: от взаимного трения руки согреваются, дерево загорается пламенем; при ударе кремня об огниво появляются искры; железо накаливается докрасна от проковывания частыми и сильными ударами, а если их прекратить, то теплота уменьшается…»
Движение молекул — вот истинное объяснение теплоты, вот что предложил Ломоносов вместо излюбленной в его время «невесомой материи теплоты»!
Новизна и революционность мысли Ломоносова вызвали яростные нападки со стороны большинства зарубежных ученых.
Наиболее талантливые современники поняли и оценили значение идей Ломоносова, но официальная зарубежная наука в лице академий и университетов их отвергла. Гениальный математик член Петербургской Академии наук Леонард Эйлер, которому Ломоносов послал свои сочинения, писал о его работах, что они «не токмо хороши, но и весьма превосходны, ибо он пишет о материях физических и химических, весьма нужных, которые поныне не знали и истолковать не могли самые остроумные люди… Желать должно, чтобы и другие Академии в состоянии были произвести такие откровения, какие показал г-н Ломоносов».
Часто о тепле и холоде мы судим по нашим ощущениям. Однако такое суждение очень неточно. В самом деле, когда мы заходим с мороза в комнату, даже плохо натопленную, нам кажется, что в ней тепло. Когда же мы утром встаем из теплой постели, в той же комнате нам кажется холодно.
Можно проделать еще такой опыт: взять три чашки, наполнить первую холодной водой, вторую теплой и третью горячей. Если теперь вы опустите правую руку в чашку с горячей водой, а левую в чашку с холодной и, подержав их там некоторое время, перенесете обе руки в чашку с теплой водой, то по ощущению правой руки вода в чашке будет холодной, а по ощущению левой руки горячей. Возникает затруднительное положение: какой из своих рук верить? Вот поэтому-то для суждения о том, насколько нагрето тело, лучше воспользоваться термометром.
Обычный термометр представляет собою узкую трубочку, заканчивающуюся снизу шариком, наполненным какой-либо жидкостью. Чаще всего шарик термометра наполняют ртутью или спиртом; бывают термометры, наполненные и другими жидкостями.
При нагревании жидкость расширяется и поднимается по трубке. Чем больше нагрев, тем выше поднимается жидкость. Поместив сзади трубочки линейку с делениями, можно определять степень нагретости тела, или, как говорят, измерять температуру в градусах.
Наиболее часто за нуль градусов принимают температуру тающего льда, а за 100 градусов температуру водяного пара около поверхности кипящей воды при нормальном атмосферном давлении (в одну атмосферу). Такой термометр называют термометром Цельсия. По этому термометру указывают температуру воздуха в сводках погоды, которые вы ежедневно слышите по радио.
Итак, мы говорим, что температура теплого тела выше, чем температура холодного. Сторонники «тепловой материи» объясняли эту разницу в температуре очень просто: в теплом теле «тепловой материи» больше, чем в холодном.
А как объяснить эту разницу с современной, или, если быть справедливыми, с ломоносовской, точки зрения?
Как вы уже знаете, можно без большой ошибки считать, что все молекулы в газе движутся с одной и той же средней скоростью. Если сравнить две порции одного и того же газа, взятые при разных температурах, то окажется, что средние скорости движения молекул в них будут различны. Чем выше температура газа, тем больше средняя скорость движения его молекул. Так, средняя скорость движения молекул кислорода, нагретого до 100 градусов тепла, будет почти в полтора раза больше, чем средняя скорость того же кислорода, охлажденного до 100 градусов мороза.
Вполне законно поэтому сказать, что температура газа является непосредственной мерой средней скорости движения его молекул. При этом, однако, надо помнить, что учитывается только средняя скорость беспорядочного движения молекул, только она определяет температуру.
Если взять бутылку, наполненную воздухом, и закрыть горлышко пробкой со вставленным в нее термометром, то можно, быстро двигая бутылку, придать всем молекулам, находящимся в ней, добавочную скорость. Однако, смотря время от времени на термометр, легко убедиться в том, что движение бутылки не вызывает повышения температуры. Это вполне понятно: ведь скорость беспорядочного движения молекул в нашем опыте не изменилась, а общее всем молекулам движение вместе с бутылкой на температуру не влияет.
Хорошо известно, что если привести в соприкосновение две порции одного и того же газа, одна из которых холодная, а другая горячая, то первая нагреется, а вторая остынет, и температура газа сделается всюду одинаковой.
Это объясняется тем, что более быстрые молекулы нагретого газа, ударяя медленные молекулы холодного, отдают им часть своей энергии и благодаря этому сами начинают двигаться медленнее, «ибо тело, движущее своей силой другое, столько же оной у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает», — писал Ломоносов.
Спустя некоторое время, в результате бесчисленных соударений, установится общая всем молекулам смеси средняя скорость. Она будет больше, чем у молекул холодной, но меньше, чем у молекул горячей порции газа, до их смешения, и именно она определит температуру смеси.
Рис. 14. Температура различных тел. На центральном рисунке указана температура атомного взрыва.
У читателя, естественно, возникнет вопрос: а что произойдет в том случае, если привести в соприкосновение два разных газа, имеющих одинаковую температуру? Сравняются ли при этом средние скорости молекул обоих газов? Оказывается, что этого не произойдет.
Очевидно, что наше простое определение температуры требует уточнения.
Чтобы определить точно, что такое температура, придется начать издалека.
Всякое движущееся тело способно совершить работу, оно обладает, как говорят физики, кинетической энергией. Не составляют исключений и движущиеся молекулы газов, — они тоже обладают кинетической энергией.
Чем быстрее движется тело, тем больше его кинетическая энергия. Из двух тел, движущихся с одинаковой скоростью, кинетическая энергия больше у того, масса которого больше, которое тяжелее.
Вычислить кинетическую энергию тела несложно: для этого надо массу тела умножить на квадрат его скорости и полученный результат разделить пополам.
Рис. 15. Так измеряется кинетическая энергия тела. М — масса тела, V — его скорость.
Как показывают точные вычисления, температура тела является мерой средней кинетической энергии поступательного движения его молекул.
При одинаковой температуре средние кинетические энергии поступательного движения молекул всех газов равны. Понятно, что при этом более тяжелые молекулы движутся медленнее, более легкие быстрее. Если массы молекул различаются весьма значительно, то может оказаться, что средняя скорость молекул более холодного газа больше, чем у газа теплого. Для этого, конечно, необходимо, чтобы масса молекул холодного газа была много меньше массы молекул газа теплого.
Зная, от чего зависит температура газа, можно сделать два важных заключения.
Повышая температуру газа, мы повышаем скорость движения его частиц, и поскольку скорость можно увеличивать до очень больших значений, постольку возможны, очевидно, и очень высокие температуры. Известно, что астрономы предполагают внутри звезд температуры, исчисляемые миллионами градусов.