С этим видом передачи тепла мы весьма неприятным образом сталкиваемся, когда в сильный мороз опрометчиво прикасаемся голой рукой к металлическому поручню. Пальцы мгновенно прилипают к его поверхности, и мы иногда рискуем даже оставить на ней кусочки своей кожи. Причина — высокая теплопроводность металлов: тепло из точки соприкосновения отводится так стремительно, что температура кожи моментально падает до температуры замерзания влаги. Высокая теплопроводность металлов, столь неприятная в поручнях, спасла, однако, жизнь тысячам шахтеров мира. Раньше, когда они работали при свете масляных или керосиновых ламп, открытое пламя нередко вызывало страшные взрывы рудничного газа. Это продолжалось до тех пор, пока английский химик Дэви не догадался окружить пламя со всех сторон тонкой металлической сеткой, которая так быстро отводила тепло от раскаленных соприкасающихся с ней газов, что их температура оказывалась недостаточной для воспламенения взрывчатой смеси. Из всех чистых металлов лучше всего для изготовления такой сетки подошло бы серебро — самое теплопроводное вещество на земле. Ему немного уступают медь и золото. На другом конце ряда мы видим висмут и сурьму — металлы, проводящие тепло раз в 30 хуже, чем серебро.
Теплопроводность неметаллических тел — стекла, дерева, бумаги, кирпича и т. д. в 100—1000 раз хуже, чем у серебра, и обычно она повышается с увеличением плотности, температуры и влажности материала. Жизненно важно для человечества то, что именно в эту группу входят различные виды органического топлива — уголь, дерево, торф. Будь эти вещества теплопроводны, как металлы, человек едва ли научился бы добывать огонь. Ведь тепло, выделяемое при горении, из-за высокой теплопроводности отводилось бы в толщу материала и не нагревало бы близлежащие слои до температуры воспламенения.
Жидкости проводят теплоту настолько хуже металлов, что некогда ученые считали их абсолютными непроводниками теплоты. Были даже в обоснование этого мнения поставлены хитроумные эксперименты. Но потом выяснилось: эксперименты показывали лишь то, что жидкости плохие теплопроводники. Вода проводит теплоту лучше, чем все другие жидкости, но даже у нее теплопроводность раз в 600 хуже, чем у серебра. Однако настоящие антиподы металлов с точки зрения теплопроводности — газы. Лучший теплопроводник среди газов — водород — в 4500 раз уступает серебру. За ним идет гелий. Замыкают ряд хлор, двуокись серы, углекислый газ, проводящие теплоту в 15–20 раз хуже, чем водород.
Теплопроводность — обмен кинетической энергии между молекулами нагретых и холодных тел, приведенных в прямое соприкосновение, — в чистом виде встречается лишь в газах. В жидкостях, в твердых телах то, что мы называем «чистой теплопроводностью», в действительности нередко оказывается переплетением нескольких видов теплопередачи, которые не всегда можно в принципе отделить один от другого. И если до сих пор теплопроводность считается едва ли не простейшим механизмом теплопередачи, то лишь потому, что чародей Фурье ухитрился вычислять суммарный эффект действия различных видов теплопередачи, не разделяя их. Но даже этот чародей не решился взяться за наведение порядка в пестрой сумятице накопившихся к тому времени экспериментов по тепловому излучению — электромагнитным волнам длиной от 0,4 до 40 микрон.
С этим видом теплопередачи мы сталкиваемся, когда греемся на солнышке, сушим одежду у костра, зажигаем электрическую лампу. Но за доступностью и незатейливостью этих действий кроются факты и наблюдения далеко не самоочевидные.
Вот ошеломляющий опыт знаменитых флорентийских академиков: они поставили металлическое вогнутое зеркало на большом расстоянии от ледяной глыбы и, поместив в его фокус термометр, обнаружили понижение температуры. А чем объясняются эксперименты Пикте, установившего, что опыт флорентийцев не удается при замене металлического зеркала стеклянным? А куб Лесли — металлический ящик, одна сторона которого была отполирована, другая покрыта сажей, третья — писчей бумагой, а четвертая — стеклом? Почему, наполнив его горячей водой, Лесли получил разные показания термометров, равноудаленных от граней куба? Почему, например, покрытая сажей грань нагрела термометр сильнее, чем покрытая писчей бумагой? Последняя — сильнее, чем покрытая стеклом, а стеклянная — сильнее, чем полированная?