С другой стороны, то же самое движение, как писал Ломоносов, может настолько уменьшиться, что никакое дальнейшее уменьшение движения будет невозможно. И Ломоносов совершенно правильно заключил, что «по необходимости должна существовать наибольшая и последняя степень холода…»
Следовательно, нельзя безгранично охлаждать газ. Рано или поздно мы достигнем такой его температуры, когда скорость теплового движения молекул уменьшится до нуля. Дальнейшее охлаждение станет невозможным. Как оказалось, на 273,23 градуса ниже нуля надо охладить газ для того, чтобы прекратилось беспорядочное тепловое движение его молекул. Температуру, которая на 273,23 градуса ниже обычного нуля, называют абсолютным нулем.
Не думайте, однако, что при абсолютном нуле полностью исчезнет движение, — это прирожденное свойство материи. Нет. Исчезнет только тепловое движение, а сохранившееся движение частиц уже не будет зависеть от температуры.
Свойства веществ при очень низких температурах сильно изменяются. Так, при температуре около минус 200 градусов резиновый мячик делается хрупким, как стеклянный шарик; как серебряный, звенит при этой температуре свинцовый колокольчик.
Теплоемкость
Для того чтобы вскипятить чай, чайник ставят на плиту. Никто никогда не наблюдал, чтобы чайник, стоящий на столе, согрелся сам собой.
Мы говорим: для того чтобы тело нагрелось, то-есть для того чтобы повысилась его температура, ему необходимо сообщить какое-то количество теплоты. Эту теплоту можно получить различными способами. Обычно ее получают или сжигая топливо — дрова, керосин, газ, — или пропуская электрический ток через специальный нагреватель.
Чем больше теплоты мы сообщим телу, тем выше поднимется его температура.
Однако если одно и то же количество теплоты сообщать разным телам, то повышение температуры у них будет различно. Все это можно объяснить, если правильно определять, что такое температура, если опираться в своих рассуждениях на атомное учение.
Когда телу сообщается какое-то количество теплоты, средняя кинетическая энергия его молекул возрастает и, следовательно, повышается температура.
Один из основных законов природы — закон сохранения и превращения энергии — утверждает, что энергия не может создаваться из ничего; следовательно, без сообщения телу энергии температура его не поднимется.
Если одно и то же количество теплоты сообщить поочередно двум различным телам, одно из которых содержит молекул значительно больше, чем другое, то в первом случае теплота распределится между большим числом молекул, так что на долю каждой из них придется меньшее количество теплоты, и средняя кинетическая энергия молекул возрастет меньше, чем во втором случае. Другими словами, если в теле, которому сообщают теплоту, молекул много, температура возрастет незначительно. Наоборот, если молекул мало, то подъем температуры велик.
Обычно количество вещества измеряют в граммах. В одном грамме различных газов содержится разное число молекул, а потому для одинакового повышения их температуры необходимо разное количество теплоты.
Количество теплоты, необходимое для нагревания 1 грамма какого-либо вещества на 1 градус, условились называть удельной теплоемкостью этого вещества.
Удельную теплоемкость воды приняли равной единице.
Количество теплоты, необходимое для нагрева 1 грамма воды на 1 градус, назвали малой калорией. Это и есть единица измерения количества теплоты. Тысячу малых калорий называют большой калорией, или килограмм-калорией.
При сгорании различных веществ выделяется разное количество теплоты. Все знают, что если топить печь каменным углем, то тепла будет больше, чем если ту же печь топить дровами. Это и понятно, потому что при сгорании одного грамма древесины выделяется от 4 000 до 4 800 калорий, а при сгорании одного грамма каменного угля — от 7 000 до 8 000 калорий, то-есть почти в два раза больше.
Особенно много теплоты выделяется при ядерных превращениях, которые происходят в атомном котле или атомной бомбе. При расщеплении 1 килограмма урана в атомном котле выделяется столько же теплоты, сколько при сгорании 20 000 тонн угля! Это поистине огромное количество теплоты. Атомная силовая станция мощностью в 100 000 лошадиных сил потребляет в день всего от 75 до 350 граммов урана!
Удельная теплоемкость газа зависит не только от массы его молекул, но и от их строения. Это легко пояснить.
Молекула, состоящая из одного атома, может только перемещаться. Атом настолько мал, что не имеет смысла говорить о его вращении.
Напротив, когда мы имеем дело с молекулой, состоящей из двух атомов, игнорировать ее вращение нельзя. Кинетическая энергия двухатомной молекулы будет уже складываться из кинетической энергии поступательного движения и кинетической энергии вращения. Поэтому теплоемкость двухатомных газов, при одной и той же массе молекул, будет больше, чем одноатомных, а трехатомных — больше, чем двухатомных.
Изучение теплоемкости различных веществ играет большую роль в процессе познания строения вещества. Измеряя теплоемкость тел, можно выяснить характер движения, которое совершают мельчайшие частицы вещества — атомы и молекулы. Измеряя теплоемкость какого-либо тела в различных условиях, можно проникнуть в тайны строения вещества.
Молекулярная артиллерия
Газы и пары играют важную роль в различных машинах. Водяной пар толкает поршень в цилиндрах паровых машин, приводит в быстрое движение колеса турбин. Газы, образующиеся при сгорании топлива, заставляют работать различные двигатели внутреннего сгораний, приводя в движение автомобили, тракторы, самолеты. Вылетающие из реактивного двигателя газы сообщают большие скорости реактивным самолетам. Газы, получающиеся при взрыве пороха, придают огромные скорости снарядам различных орудий.
Для того чтобы строить хорошие турбины, паровозы, тракторы, мощные пушки, самолеты, — всюду необходимо знание свойств газов. Понять и объяснить свойства газов позволяет движение молекул. Знание законов их движения дает возможность предвидеть поведение газов в различных условиях.
Разберемся в этом.
Если уменьшать объем, занимаемый каким-либо газом, газ оказывает этому сопротивление. Совершенно отчетливо сопротивление газа можно ощущать при накачивании воздухом велосипедной шины.
Сопротивление газа сжатию называют упругостью. Упругость — одно из основных свойств всех газов.
Как объяснить упругость, в чем ее причина?
Попробуем ответить на этот вопрос, пользуясь нашими знаниями о строении газов. Представим себе такой опыт. У обычных весов, на которых взвешивают хлеб, одна чашка плоская, а другая в виде тарелки. Выставим весы на дождь и над вогнутой чашкой устроим навес так, чтобы дождевые капли на нее не попадали (рис. 16).
Рис. 16. Дождь давит на открытую чашку весов с силой, которую можно измерить.
Дождевые капли будут ударяться об открытую плоскую чашку весов и стекать с нее. Удары отдельных капель, складываясь, заставят чашку весов опуститься. Чтобы привести весы в равновесие, надо положить на вторую чашку гири. Уравновесив весы и подсчитав вес положенных гирь, мы определим силу, с которой дождь давит на открытую чашку весов.