Физика

      ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА
     
      Глава I
      ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ
     
      1. Механические явления
      Окружающие нас большие тела в физике называют макроскопическими. Не будем сразу уточнять, насколько большим должно быть макроскопическое тело. Тем более, что никакой резкой границы установить все равно и не удастся; Это может быть газ в сосуде, вода в стакане, песчинка, камень, кусок железа, земной шар и т. д. (рис. 1).
      В VIII классе вы познакомились с механическим движением и законами Ньютона. Эти законы позволяют рассчитать, как будут двигаться макроскопические тела или их части друг относительно друга. Для этого нужно знать начальные положения, скорости тел и силы их взаимодействия.
      Однако на очень многие вопросы механика Ньютона никаких ответов не дает. Почему, например, при деформации появляются силы упругости? Почему при движении тел в жидкостях и газах или при скольжении их по твердым поверхностям появляются силы трения? Почему в узких трубках, несмотря на действие силы тяжести, вода поднимается вверх?
      Все это хорошо понимал и сам Ньютон. Ему принадлежат замечательные слова: «Я не знаю, чем я кажусь миру; мне же самому кажется, что я был только мальчиком, играющим на берегу моря и развлекающимся тем, что от времени до времени находил более гладкие камешки или более красивую раковину, чем обыкновенно, в то время как великий океан истины лежал передо мной совершенно неразгаданный».
      В механике затруднения, связанные с выяснением природы сил и их происхождением, не существенны, так как для вычисления траекторий движения тел достаточно знать лишь, чему равны силы количественно. А знать величину сил, определить, когда и как они действуют, можно не вникая в природу сил, а лишь располагая способами их измерения. Все это так. Но если мы хотим знать, как устроен окружающий нас мир, то от задачи исследования природу сил отказаться нельзя.
      И дело не только в силах. Из механики неясно, например, почему имеется три вида тел: газообразные, не сохраняющие свой объем, жидкие, сохраняющие объем, но не сохраняющие форму, в твердые, которые сохраняют свою форму. Почему при охлаждении газы превращаются в жидкости, а жидкости в твердые тела.
      Теперь наша задача будет состоять в том, чтобы научиться отвечать на множество этих и подобных им вопросов. Первый шаг к достижению поставленной задачи — знакомство с большой группой новых физических явлений.
     
      2. Тепловые явления
      Самые значительные и самые заметные явления после механического движения — тепловые явления. В простейшей форме вы познакомились с ними в VI — VII классах.
      Тепловые явления связаны, как правило, с нагреванием или охлаждением тел, с изменением их температуры.
      Изменение температуры окружающего нас воздуха на 10 — 20 градусов не может остаться незамеченным. А если изменится на один-два градуса температура нашего тела, то мы уже больны.
      Движение тела обычно не вызывает в нем особенно существенных изменений. Но нагревание или охлаждение способно до неузнаваемости изменить его. Сильно нагрев прозрачную, но все же видимую и легко ощущаемую нашими органами чувств воду, мы превратим ее в почти неосязаемый пар. Сильное охлаждение сделает из воды кусок льда.
      Изменение количества теплоты, получаемой от солнца нашей землей, меняет весь ее облик. С наступлением весны начинается пробуждение природы, леса одеваются листвой, зеленеют луга. Зимой же разнообразные летние краски заменяются более однообразным фоноль жизнь растений и многих, животных замирает. ^
      Очень сильно меняются при нагревании или охлаждении обычные механические свойства тел, например упругость. Кусок резиновой трубки, который не пострадает от того, что вы при комнатной температуре ударите его молотком, при сильном охлаждении становится хрупким, как стекло. Легкий удар превратит резиновую трубку в мелкие куски. Лишь при нагревании резина вновь обретает свои упругие свойства.
      Все эти явления, как перечисленные выше, так и многие другие, подчиняются определенным законам. Эти законы столь же точны и надежны, как и законы.механики, но сильно отличаются от законов механики по содержанию и форме.
      Первое, что нам- предстоит сделать, — это научиться описывать тепловые процессы, происходящие с макроскопическими телами. Найти законы, которые могли бы объяснить причины изменений, происходящих с телами, когда сами тела не движутся, т. е. когда с точки зрения механики с ними ничего не происходит. Эти законы описывают новую форму движения материи — тепловое движение. Мы обнаружим, что тепловое движение присуще всем телам, независимо от того, перемещаются они в пространстве или нет.
      Раздел физики, изучающий тепловые явления, называют термодинамикой.
      Течение тепловых процессов непосредственно связано со строением вещества, с его внутренней структурой. Ведь то, например, что нагревание парафина на несколько десятков градусов делает его жидким, а нагревание железного стержня на такую же величину никак заметным образом не влияет на него (он только начнет обжигать пальцы), несомненно связано с тем, что внутреннее строение этих тел различно. Поэтому именно тепловые явления можно использовать для выяснения обшей картины строения вещества. И наоборот, определенные представления о строении вещества способны пролить яркий свет на физическую сущность тепловых явлений, дать их г лубокое наглядное истолкование. В этом как раз и состоит задача молекулярно-кинетической теории, или статистической механики (другое название молекулярно-кинетической теории).
      Наконец, очень важно, что открытие законов, которым подчиняются тепловые явления, позволяет с максимальной пользой применять эти явления на практике, в технике. Современные тепловые двигатели, холодильные установки, установки для сжижения газов и т. д. конструируют на основе знания этих законов.
      Теперь перейдем к количественному описанию тепловых процессов. Первый, самый важный и довольно трудный шаг — это введение понятия температуры — главной характеристики всех тепловых явлений.
     
      3. Температура. Тепловое равновесие
      В геометрии вводят одну основную величину — длину. Остальные величины: площадь и объем — производные. В кинематике добавляют еще одну величину — время. Скорость, ускорение являются производными. В динамике дополнительной основной величиной становится масса. В теории тепловых явлений единственная новая основная величина, которую необходимо ввести, — это температура.
      В коже нащбго тела, кроме чувствительных приемников, реагирующих на прикосновение, давление и болевые раздражения, есть еще приемники, реагирующие на внешние воздействия ощущением тепла и холода. Руководствуясь этим, можно все тела расположить в ряд по их способности вызывать ощущение тепла и холода. Причину данной способности тел по-разному воздействовать на органы чувств можно отнести за счет различной степени нагретости тел — температуры. Это пока только качественное определение температуры, не содержащее указаний на способ ее измерения. С ним вы познакомились в. VI классе. Для установления точного определения температуры надо ввести понятие теплового равновесия.
      Чтобы узнать температуру своего тела, нужно подержать термометр под мышкой 5 — 8 мин. За это время ртуть в термометре постепенно нагревается и уровень ее повышается. По истечении положенного времени нагревание термометра прекратится и по длине столбика ртути вы определите температуру. То же самое происходит при измерении температуры любого тела любым термометром. Показания термометра как угодно долго будут оставаться неизменными, если .неизменна температура тела.
      Другой пример. Бросьте в стакан с водой кусочек льда и закройте стакан плотной крышкой. Лед начнет плавиться, а вода охлаждаться. Когда лед растает, вода начнет нагреваться, и, после того как она примет температуру окружающего воздуха, никаких изменений внутри стакана с водой не будет происходить.
      Из этих и подобных им простых наблюдений можно сделать вывод о существовании очень общей закономерности тепловых явлений. Тело при неизменных внешних условиях самопроизвольно переходит за некоторое время в состояние теплового равновесия с окружающими телами. В этом состоянии такие величины, как объем и давление, остаются неизменными. В состоянии теплового равновесия тела могут находиться сколь угодно долго.
      Существенно, что если какое-либо тело А (например, вода в одном стакане, рис. 2, а) находится в тепловом равновесии с другим телом С (термометром), а тело В (вода в другом стакане) тоже находится в равновесии с телом С, то тела А и В также находятся в состоянии теплового равновесия. Если привести стаканы в контакт (рис. 2,6), то никаких изменений с водой внутри них не произойдет. Именно поэтому мы можем сравнивать состояние теплового равновесия тел, не приводя их в непосредственный контакт, и ввести понятие температуры.
      Мы Говорим, что два тела А и В имеют одинаковую температуру, если каждое из них находится в тепловом равновесии с третьим телом С. Этим телом может быть термометр. И наоборот, если тела имеют одинаковую температуру, то можно утверждать, не приводя их в непосредственный тепловой контакт, что они находятся в состоянии теплового равновесия.
      При установлении контакта между двумя телами с различными температурами их температуры выравниваются. Подобно тому как равенство давлений в двух сосудах с одинаковыми газами означает, что при соединении сосудов трубкой газ не будет перемещаться из одного сосуда в другой, равенство температур двух тел означает, что при установлении между ними теплового контакта не будет происходить теплопередачи от одного тела к другому.
      Температура — единственная величина, которая имеет одно и то же значение в любой части системы при тепловом равновесии. Объем различных частей системы и давления внутри них при наличии твердых перегородок могут быть разными. Так, если вы внесете мяч с улицы в комнату, то спустя некоторое время температуры воздуха в мяче и комнате выровнятея. Давление же воздуха в мяче все равно будет больше комнатного.
      В приборах для измерения температуры — термометрах обычно используют свойство различных жидкостей изменять свой объем при нагревании. Жидкость должна быть такой, чтобы различным температурам обязательно соответствовали различные объемы. Для воды это условие не выполняется. Действительно, при нагревании воды от 0 до 4° С ее объем уменьшается, а затем начинает возрастать.
      С изменением температуры меняется не только объем жидкости. Меняется также давление газа, электрическое сопротивление проводников и т. д. Все эти явления можно использовать для ' измерения температуры.
     
      4. Уравнение состояния
      После того как мы познакомились с тем, что такое температура и как ее можно измерять, обратимся к более детальному рассмотрению тепловых явлений. Знакомство со многими явлениями можно начать, не располагая какими-либо физическими приборами. Обыкновенный детский, резиновый шарик, если подойти серьезно к наблюдению за поведением воздуха.внутри него, позволит прийти к важным выводам.
      Шарик, а значит и воздух внутри него, имеет определенный объем V. Этот объем характеризует состояние воздуха в шарике. Объем — это одна из величин, характеризующих состояние любого макроскопического тела.
      Шарик, как и любое другое тело, может находиться в различных внешних условиях. Если вы поднимете его на высокую гору, то давление окружающего воздуха на его стенки уменьшится. Ведь атмосферное давление с высотой уменьшается. Это приведет к тому, что шарик раздуется. Давление воздуха р внутри него при увеличении объема станет меньше. Наоборот, если сдавливать шарик руками (осторожно, конечно, чтобы он не лопнул), то объем его уменьшается, а давление внутри возрастет.
      Связь между объемом воздуха внутри шарика и его давлением, конечно, очевидна и понятна всем. Нужно лишь постараться заметить здесь проявление общей закономерности.
      Две величины, характеризующие состояние воздуха в шарике (объем и давление), зависят друг от друга. Давление — это еще одна величина (наряду с объемом), характеризующая состояние тела.
      Не будем забывать и о температуре. Если положить внутрь шарика льдинку и потом надуть его, то произойдет следующее. Льдинка начнет таять, а шарик на глазах начнет «худеть». Давление воздуха в нем и объем начнут уменьшаться. Ясно, что это. происходит за счет изменения температуры воздуха в шарике.
      Из подобных простых наблюдений можно установить, что между объемом, давлением и температурой воздуха в шарике существует определенная, связь. И это справедливо не только для воздуха в шарике, но и для любого газообразного, жидкого и твердого тела.
      Уравнение, определяющее связь температуры, объема и давления тел, называют уравнением состояния.
      Каждая система — газ, жидкость или твердое тело — характеризуется своим уравнением состояния. В одних случаях (например, разреженный газ) — уравнение состояния простое, в других (например, вода) — весьма сложное.
      Знание уравнения состояния очень важно при исследовании тепловых процессов. Оно позволяет полностью или частично ответить сразу на три группы различных вопросов.
      Уравнение состояния позволяет определить одну из величин, характеризующих состояние, например температуру, если известны две другие величины. Это и используют в термометрах.
      Зная уравнение состояния, можно сказать, как будут протекать различные процессы при определенных внешних условиях. Например, как будет меняться давление газа при нагревании, если его объем остается неизменным. Что произойдет с давлением газа, если увеличивать его объем при условии неизменности температуры, и т. д.
      Наконец, зная уравнение состояния, можно определить, как меняется состояние системы, если она совершает работу или получает теплоту от окружающих тел.
      Обо всем этом прйдет речь в дальнейшем. Сначала посмотрим, как можно опытным путем установить уравнение состояния для газа.
     
      5. Газовые законы. Закон Бойля — Мариотта
      Количественная зависимость давления, температуры и объема друг от друга имеет самую простую форму для газов, особенно для газов, давление которых не очень велико (не превышает значительно давления в одну атмосферу) и температура не слишком низка.
      Главное свойство газов, отличающее их от жидкостей, состоит в способности газов к неограниченному расширению. Как бы ни был велик объем сосуда, газ всегда оказывает давление на все его стенки.
      Опыт показывает, что если температура газа не меняется, то его давление возрастает с уменьшением объема. В этом легко убедиться, сжимая руками слабо накачанную камеру волейбольного или футбольного мяча: при сжатии камеры давление воздуха в нем увеличивается.
      Зависимость давления от объема можно определить с помощью прибора, изображенного на рисунке 3. Герметический гофрированный сосуд соединен с манометром М, регистрирующим давление внутри сосуда. При вращении винта В объем сосуда меняется. О величине объема можно судить с помощью линейки. Меняя объем и замечая величину давления, нетрудно убедиться, что для данной массы газа во сколько раз уменьшается объем, во столько же раз увеличивается давление. Произведение же давления данной массы газа на его объем постоянно, если температура газа не изменяется.