Молекулы, конечно, одни и те же. Но почему же тогда так различны лед и жидкая вода, составленные из тех же самых молекул? Может быть, молекулы ведут себя там по-разному?
Или находятся в различных условиях?
Путешествие внутрь веществ могло бы нам помочь объяснить это. Мы бы воочию убедились в том, как в разных телах расположены молекулы. Но, не имея пока возможности предпринять такое путешествие, хотя бы поговорим о том, что там происходит.
Молекулы в веществе, обладающем тремя состояниями, одни и те же. Разница в том, как они двигаются.
Именно из-за этого тела становятся твердыми, жидкими и газообразными.
В твердых телах молекулы степенно путешествуют в разные стороны около одной точки. Далеко не уходят. В науке такие движения называются колебаниями. Твердое тело сохраняет свою форму. Ведь все молекулы в общем-то находятся на своих местах. А те небольшие движения, которые они совершают, мы и не замечаем. Даже Карик и Валя, ставшие такими маленькими, их бы тоже не заметили.
Но вот перед нами жидкость. Ее можно легко переливать из одного сосуда в другой. Из миски в стакан, из стакана в кружку. И так далее. Как же поживают молекулы в жидкости? Довольно свободно. Внутри жидкости они путешествуют, как хотят. Но как только какая-нибудь свободолюбивая молекула подскочит к поверхности жидкости, захочет вырваться оттуда, так сразу же беглянку вернут на место. Молекулы, которые находятся около поверхности, вцепятся в нее мертвой хваткой.
Ведь молекулы притягиваются друг к другу. И когда все молекулы потянут одну внутрь жидкости, с такими силами ей уже не справиться. Попытка к бегству сразу же ликвидируется.
Вот молекулам газа жить гораздо легче. Их уже ничто не удерживает вместе. Куда бы мы ни выпустили газ, он мгновенно займет весь объем сосуда — все равно банка это, цистерна или комната.
Можно сказать так: молекулы твердого тела привязаны к своим местам, жидкого — полусвободны. А молекулы газа свободны полностью.
Но почему это происходит? Почему бы молекулам твердого тела не разбежаться, а молекулам газа не собраться вместе?
Все дело в температуре. Мы ведь выяснили, что именно с температурой связан переход тела из одного состояния в другое. Из твердого в жидкое, из газа в жидкость.
Остается одно — как-то совместить температуру и движение молекул.
С одной стороны, состояние вещества зависит от его температуры. С другой — каждому такому состоянию соответствует своя особенная «жизнь» молекул.
Существует и четвертое состояние вещества. Та самая плазма, о которой мы с вами уже говорили. Если газ нагревать дальше, то может случиться, что молекулы его, ударяясь друг о друга, сами начнут рассыпаться на составные части. Все равно что винтики разобранных часов разбить на маленькие кусочки. Когда все молекулы газа развалятся на части, газ превратится в плазму.
В плазме можно найти самые разнообразные частицы: свободные электроны, положительные ионы, получившиеся из обыкновенных молекул, после того как те потеряли часть электронов. Немало в плазме и обычных электронейтральных молекул.
Солнце — это громадное сборище плазмы, причем раскаленной. И звезды плазма. Самая обычная молния, которую каждый из вас много раз видел, северные сияния, электрическая дуга — тоже плазма.
Но плазмой мы заниматься не будем, а посмотрим на поведение молекул в привычных для нас всех трех состояниях вещества — твердом, жидком и газообразном.
Что такое температура
В учебниках на сей счет существует два ответа. Температура — мера нагретости тела, утверждают одни учебники. Температура — мера тепловой энергии молекул, добавляют другие.
Действительно, температура показывает, как нагрето тело. Говорим же мы — на улице двадцать градусов. А что это значит, знает каждый. Температура воздуха, степень его нагретости и есть эти самые 20 градусов. И когда на пляжном щите написано «температура воды 23 °C», то все понимают, что вода нагрета до двадцати трех градусов и купаться хорошо. Даже, пожалуй, слишком теплая вода.
С другой стороны, мы упомянули о тепловой энергии. Это тоже правильно.
Чем температура тела выше, тем оно теплее, горячее, тем больше в нем тепловой энергии. Ее мы и называем теплом.
Чтобы тело нагреть, надо ему откуда-то подать эту тепловую энергию. Чиркнули мы спичкой, зажгли газ. И на плиту поставили чайник. Газ горит, выделяется тепловая энергия, чайник нагревается, передает энергию воде. Потом закипит вода. Вот куда пошла энергия сожженного в горелке газа. Счетчик нам эту энергию подсчитывает в точности.
Тепловая энергия тела, разумеется, сейчас же передается его частичкам — молекулам. Если тело твердое, то молекулы, получив причитающуюся им порцию энергии, начинают колебаться быстрее. И колеблются тем чаще, чем больше энергии поступает в их распоряжение. Если измерять температуру, то она все время будет увеличиваться. А потом застопорится, застынет на месте. Это сигнал — тело начало плавиться. И тепло теперь идет не на то, чтобы увеличивать температуру. Надо сорвать молекулы с насиженных мест, оторвать их друг от друга, увеличить внутреннюю энергию. Вот куда расходуется тепловая энергия. Изобретателям термометров это обстоятельство на руку. Пока все тело не расплавится или, наоборот, пока вся жидкость не застынет — температура его не изменится. Значит, можно использовать его для так называемой опорной — основной точки шкалы термометра.
Мы ведь как раз это и делали, когда опускали ртутный шарик в замерзающую воду.
Но вот все молекулы бывшего твердого тела сорвались со своих мест и путешествуют как хотят. Превращение совершилось. Перед нами жидкость. А мы продолжаем поставлять тепловую энергию.
Теперь уже нагревается жидкость. Ни одна кроха тепла не пропадет, сразу же жидкость отзовется повышением температуры. Дойдет дело до точки кипения. И снова остановка — пока не выкипит вся жидкость, температура стоит на месте как вкопанная. Ни шагу дальше.
Что касается газа, то его можно нагревать сколько угодно. Правда, там тоже появится нечто новое. Но это при очень больших температурах. Тут уж и от молекул «щепки полетят». Так получается новое, четвертое состояние вещества — плазма.
Но вернемся к веществам обычным.
Что мы с ними делали? Нагревали, повышали температуру. И увидели, что это тотчас же отражалось на поведении молекул.
Остается добавить, что наиболее прыткие молекулы жидкости, у которых самая большая скорость, покидают поверхность жидкости задолго до кипения. Это и есть испарение. Мы уже говорили об этом. И вспомнили, что в бане на стенах появляются капельки воды. Там происходит конденсация. Часть водяных паров становится снова жидкостью.
От чего зависит состояние тела? От температуры! С чем связана температура? С движением молекул. Чем температура больше, тем с большей скоростью они двигаются.
Выходит, температура — мера движения молекул, мера их скорости. Строго говоря, температура определяет кинетическую энергию движения молекул. Кинетическая — как раз и означает энергию движения.
На первый взгляд нагретое тело ведет себя спокойно. Какое уж там движение? Кинетической энергией обладает, например, падающая с плотины электростанции вода, летящий камень, движущийся поезд. Попробуйте их остановить! А тут энергия и… покой! Дело в том, что энергию движущихся тел мы, так сказать, видим своими глазами. А энергия движения молекул — скрытая, невидимая, внутренняя. Лежит, например, на земле камень. Лежит спокойно, тихо, никого не трогает. Но внутри его скрыто во много раз больше энергии, чем в другом, который с грохотом и пылью летит вдоль горного склона.
И именно температура показывает, сколько тепловой энергии скрыто в данном теле. Больше ее стало или меньше.