Движение молекул

4. Что такое теплота

В обычной жизни мы различаем тела тёплые 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 учёных.

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 вопросах физических и химических весьма нужных, которых поныне не знали и истолковать не могли самые остроумные люди. Желать должно, чтобы и другие Академии в состоянии были произвести такие откровения, какие находил г. 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 встаём из тёплой постели, в той же комнате нам кажется холодно.

Можно проделать ещё такой опыт: взять три чашки, наполнить первую холодной водой, вторую тёплой 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, перенесёте обе руки в чашку с тёплой 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 для суждения о том, насколько нагрето тело, лучше воспользоваться термометром.

Термометр придуман сравнительно недавно, всего лет 300 назад. 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 по трубочке поднимается жидкость. Поместив сзади трубочки линейку с делениями, мы можем определять степень нагретости, или, как говорят, измерять температуру в градусах.

Наиболее часто за нуль градусов принимают температуру тающего льда, а за 100 градусов принимают 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 тёплого тела выше, чем температура холодного. Сторонники "тепловой материи" объясняли эту разницу в температуре очень просто — в тёплом 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 молекул кислорода, нагретого до 100 градусов тепла, будет почти в полтора раза больше, чем средняя скорость молекул того же кислорода, охлаждённого 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 неё термометром, то можно, быстро двигая бутылку, придать всем молекулам, находящимся в ней, добавочную скорость. Однако, смотря время от времени на термометр, можно 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 не влияет на температуру.

Хорошо известно, что если привести в соприкосновение две порции газа, одна из которых холодная, а другая горячая, то первая нагреется, а вторая остынет, и вся смесь примет одинаковую температуру.

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", как писал Ломоносов.

Спустя некоторое время, в результате бесчисленных соударений, установится общая всем молекулам смеси средняя скорость. Она будет больше, чем у холодной, но меньше, чем у горючей порции газа, и именно она определит температуру смеси.

Из того, что температура газа определяется скоростью движения его молекул, вытекают два важных заключения.

Повышая температуру газа, мы повышаем скорость движения его частиц и, поскольку для повышения скороста практически нет предела, то можно считать, что температура может неограниченно увеличиваться. Известно, что астрономы предполагают внутри звёзд температуры, исчисляемые миллионами градусов.

Рис. 6. Температура различных тел. На нижних рисунках указана температура поверхности Солнца и звёзд.

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. Точку, лежащую на 273,23 градуса ниже обычного нуля, называют абсолютным нулём.

Не думайте, однако, что при абсолютном нуле полностью исчезнет движение, это прирождённое свойство материи. Нет. Исчезнет только тепловое движение, а сохранившееся движение уже не будет зависеть от температуры.

Свойства веществ сильно изменяются при очень низких температурах. При температуре около минус 200 градусов резиновый мячик делается хрупким, как стеклянный шарик; как серебряный, звенит при этой температуре свинцовый колокольчик.

Много интересного и нового открыли советские учёные, работающие в Институте физических проблем и изучающие свойства веществ при температурах, близких к абсолютному нулю.