Первоначала вещей

Вместо введения

Сегодня утром работа не клеилась. Возможно, оказывалось утомление от напряженной работы в течение зимы, возможно и то, что теплый весенний ветер пробуждал заложенное в каждом человеке стремление с наступлением солнечных дней, сменяющих зимнюю непогоду, уезжать из города в лес, в поле…

Попытки сосредоточиться были бесплодны: мысли разбегались, и решение, казалось бы, несложной задачи никак не давалось в руки. Сложив папки с расчетами и взяв с книжной полки последний номер литературного журнала, я закрыл двери лаборатории и уже через полчаса шел по широкой аллее пригородного парка.

В парке было людно. Студенты и школьники в одиночку и группами готовились к предстоящим экзаменам. Более молодое поколение, не обремененное еще школьными заботами, со свойственной ему непосредственностью наслаждалось теплым солнечным днем.

В одной из боковых аллей нашлась свободная скамейка. Рядом со мной на скамейке сидела молодая женщина с толстой книгой, по-видимому учебником. Время от времени она отрывалась от чтения и следила взглядом за маленьким мальчиком, пускавшим в небольшом пруду деревянный кораблик. Легкий ветер прибивал кораблик к берегу, и он никак не хотел отправляться в плавание. Обескураженный неудачей, мальчуган вытащил из воды свой кораблик, подошел к скамейке и осторожно тронул за руку мою соседку.

Женщина подняла глаза от книги.

— В чем дело, Андрюша? Почему ты не играешь?

Мальчик пристально смотрел на мать.

— Мама, а почему вода жидкая?

— Ну что ты, Андрюша! Ты опять задаешь глупые вопросы. Вода жидкая, потому что она вода. Иди играй! — и она снова наклонилась над книгой.

По выражению глаз мальчика было видно, что его не удовлетворил ответ матери. Он снова потянул ее за руку:

— Мама, но почему вода жидкая, а лед твердый?

— Ах, Андрюша, сколько раз я тебе говорила, что лед твердый, потому что лед — это замерзшая вода. Иди пускай свой кораблик.

Малыш постоял еще мгновение в нерешительности, потом взял кораблик и пошел к пруду. Что-то неуловимое в его походке и всей фигуре говорило о том, что «глупые вопросы» продолжали его интересовать.

И впрямь, так ли уж глупы вопросы, занимавшие мальчика? В самом деле, почему одни тела жидкие, другие твердые, а третьи газообразные? Почему, если жидкость охлаждать, она превращается в твердое тело, а если нагревать, то в пар?

Может ли наука в наше время ответить на это? Мысленно я старался проследить, как обогащалось человеческое знание, как находил человек правильные ответы на эти, казалось бы, совсем простые вопросы.

Во глубине веков

Примерно две с половиной тысячи лет тому назад, в V веке до нашего летосчисления, на омываемом теплым Средиземным морем Балканском полуострове достигло расцвета античное греческое государство. Это был золотой век классического искусства, науки, философии. До нашего времени непревзойденными остаются замечательные творения греческих скульпторов. Мы с восхищением любуемся сохранившимися памятниками античной архитектуры, с восторгом читаем бессмертные творения Гомера, Еврипида, Аристофана… Драгоценный памятник греческой культуры — сочинения философов и ученых, подводящие итог знаниям, которые приобрел человек, присматриваясь к явлениям окружающей его природы, пытаясь понять их, объяснить закономерности, которым они подчиняются. Подмечая на каждом шагу взаимную связь различных явлений, люди воспринимали природу во всем ее многообразии как нечто единое, целое.

Две отличительные черты окружающего мира особенно бросались в глаза человеку. Первой из них была постоянная изменчивость природы. Смена времен года резко меняла облик земли. За цветущей весной и жарким летом неизбежно приходили осень и холодная зима. Жизнь в природе замирала, для того чтобы вновь возродиться с приходом весны. Морские прибои подмывали высокие берега, меняя их очертания. Лесной пожар, начавшийся от неосторожно разложенного пастухами костра, пожирал огромные стволы вековых деревьев. Горный обвал мог превратить цветущую долину в пустыню. Все люди, и раб и полководец, умирали и после сжигания превращались в пепел. В мире все изменчиво, нет ничего постоянного, все течет, все изменяется: день сменяется ночью, летний жар — зимним холодом, здоровье — болезнью…

«На того, кто входит в ту же самую реку, каждый раз текут новые воды… В одну и ту же реку невозможно войти дважды», — говорил один из греческих мудрецов, Гераклит Эфесский, подчеркивая мысль, что все в природе непрерывно изменяется.

Второй особенностью природы, подмеченной человеком, была своеобразно сочетающаяся с изменчивостью вечность окружающего мира. Действительно, оголенная зимними холодами горная вершина вновь покрывалась весною цветущим ковром; на месте уничтоженного пожаром леса возникала поросль, превращавшаяся через несколько десятилетий в густой лес. Место умерших людей и животных занимали рождающиеся вновь… И так было везде и во всем. Мир изменчив и в то же самое время вечен. Непрерывно изменяясь, природа вновь и вновь воспроизводит себя.

Попыткой объяснить эту противоречивость природы была гениальная догадка классической древности — материалистическое учение об атомах. Наиболее полно это учение изложил греческий философ и ученый Демокрит.

Атомы

Демокрит родился около 460 года до нашего летосчисления в греческом городе Абдере. По дошедшим до нас сведениям, это был энциклопедически образованный человек. Все интересовало его: физика, математика, философия, медицина, техника…

Главное сочинение Демокрита, «Великий диакосмос», посвящено учению о строении мира.

Демокрит думал, что окружающий мир состоит из мельчайших частиц. Эти частицы он считал неделимыми и назвал поэтому атомами (атом — по-гречески неделимый).

Атомы, по его мысли, вечны и неизменны, многообразие же окружающей нас природы вызвано различным движением и различными сочетаниями атомов.

«Все состоит из атомов… вещи отличаются друг от друга атомами, из которых они состоят, их порядком и положением…» — писал Демокрит. Атомы находятся в непрерывном движении, и это движение — причина изменчивости мира. Сами атомы неизменны, и в этом объяснение вечности мира. Двигаясь беспорядочно, атомы приближаются друг к другу, образуют скопления. В одном случае такое скопление может быть водой, в другом случае — камнем, в третьем — растением. Спустя некоторое время в результате движения атомов эти скопления изменятся: вода испарится, растение увянет… Но вечность атомов и их движения обеспечивает повторное возникновение исчезнувших скоплений атомов, поэтому окружающий нас мир вечен.

Тем, что все состоит из атомов, Демокрит объяснял многие хорошо известные свойства вещей. Так, например, аромат цветов, по его мнению, мы чувствуем потому, что вылетающие из чашечки цветка атомы попадают в нос человека и вызывают ощущение запаха. Соленый вкус морскому воздуху придают атомы соли, уносимые ветром вместе с капельками морской воды. Горький, соленый, острый вкус различных тел, как считал Демокрит, зависит от формы их атомов. Пользуясь атомным учением, он объяснял разнообразные явления природы: возникновение облаков, громовые раскаты, зарницы и многое другое.

^{Рис. 1. Так Демокрит объяснял, почему пахнут цветы.}

В древности взгляды Демокрита пользовались широким распространением. В I веке до нашей эры замечательный римский поэт и философ Тит Лукреций Кар рассказал об атомах в своей бессмертной поэме «О природе вещей». Поэтичные строки поэмы запоминались лучше ученых трактатов.

писал Лукреций.

Так же как и Демокриту, атомы помогали ему объяснить природу различных явлений.

Атомное учение по самой своей сущности глубоко материалистично. В мире, состоящем из движущихся атомов и пустого пространства, не остается места для божества. Самые различные явления природы находят себе простое объяснение без помощи каких-либо сверхъестественных сил. Неспроста же на протяжении многих столетий, прошедших со времени Демокрита, все материалистические учения сознательно связывали возникновение материализма с именем великого атомиста. Движения атомов и их соударения подчиняются простым и строгим законам, исключающим божественную волю, отрицающим существование чудес и необъяснимых явлений. Материалистическая сущность атомизма была одной из главных причин того, почему спустя несколько столетий судьба учения Демокрита резко изменилась. После распада Римской рабовладельческой империи огромное влияние приобрела христианская церковь. Сделавшись официальной государственной религией, христианство всеми силами стремилось уничтожить классическую науку и искусство, объявив их языческими. Интерес к ним церковь считала грехом. В 390 году архиепископ Феофил явился вдохновителем разрушения Александрийской библиотеки, этой сокровищницы мировой культуры. Преследовалось само стремление к знанию, если только оно не было направлено на утверждение христианского учения. Строго запрещалось чтение научных книг. От церковных властей старались не отстать и власти светские. В феврале 1626 года парижский парламент под страхом смертной казни запретил распространять мысль о том, что все в мире состоит из атомов. Однако как бы ни были строги парламентские акты и постановления церковных соборов, они не могли остановить развитие науки. Прошло несколько лет после грозного акта парламента, и именно в Париже вновь возродились идеи Демокрита. Их выразителем явился французский философ Пьер Гассенди.

По стопам Демокрита

Родиной Гассенди была солнечная провинция Франции — Прованс. Будущий философ родился в 1592 году в семье бедных поселян близ города Динь. Один из родственников дал ему возможность учиться философии в городе Экс. Обладая недюжинными способностями, Гассенди уже 16-летним юношей становится учителем риторики.

Смело восстав против невежества средневековой науки и освященного церковью авторитета философа-идеалиста Аристотеля, Гассенди проповедует в своих сочинениях атомное учение.

Дробить тело до бесконечности нельзя, утверждает он. Все тела состоят из неделимых частиц, или атомов. Атомы бывают разнообразной формы: некоторые угловаты, другие шаровидны, есть и заостренные, есть и гладкие…

Если атомы сцеплены между собой лишь в немногих точках, то тело бывает жидким; напротив, если они соприкасаются многими точками, то тело бывает твердым.

Атомы, как правило, объединяются в более крупные частички, наподобие того, как отдельные буквы объединяются в слова. Эти более крупные частички Гассенди назвал молекулами, от латинского слова «молес», что означает — масса.

Среди ученых того времени взгляды Гассенди нашли себе как горячих приверженцев, так и не менее горячих противников. Широко пользовался атомным учением в своих работах английский физик Роберт Бойль.

Великий английский ученый Ньютон считал, что все тела состоят из «имеющих массу, крепких, непроницаемых, движущихся частичек…», то-есть атомов; эта идея помогала ему правильно объяснять явления природы.

Не надо думать, однако, что после Гассенди атомное учение сделалось господствующим в науке. Его противники были более многочисленны, чем его сторонники. В числе противников учения Гассенди об атомах был его современник и соотечественник, крупнейший философ, физик и математик Рене Декарт, считавший, что вещество можно делить беспредельно. Не признавал существования материальных атомов и гениальный немецкий математик, философ-идеалист Готфрид Лейбниц.

Справедливость требует отметить, что в сочинениях Гассенди было много непоследовательного. Он считал, например, что наряду с материальными, вещественными атомами существуют особые атомы холода, атомы тепла и даже… атомы души!

На взглядах Гассенди лежит печать двойственности, попытки примирить материалистический взгляд на природу с существованием бога. Эта двойственность не способствовала успеху учения об атомах.

Проходит еще около ста лет, и атомное учение находит себе нового замечательного защитника — великого русского ученого Михаила Васильевича Ломоносова. Ломоносов не только признает справедливость атомного строения окружающих тел, — он использует учение об атомах для объяснения различных свойств и превращений вещества. Атомное учение помогло Ломоносову правильно объяснить, что такое теплота, понять, почему газы сопротивляются сжатию, найти законы, которые позволили в дальнейшем строить более совершенные машины, и т. д.

^{Рис. 2. Так представлял себе Ломоносов столкновения и взаимодействия молекул.}

М. В. Ломоносов

М. В. Ломоносов родился в 1711 году.

В истории человечества известно много величайших ученых, художников, поэтов. Однако вряд ли мы найдем среди них другого человека, столь богато и разносторонне одаренного, как М. В. Ломоносов.

Трудно охватить круг его интересов — так он велик. А. С. Пушкин писал о Ломоносове, что он «…соединяя необыкновенную силу воли с необыкновенною силою понятия… обнял все отрасли просвещения… Историк, ритор, механик, химик, минералог, художник и стихотворец, он все испытал и все проник…»

Разносторонность таланта Ломоносова поражала иностранцев, они не могли представить себе, что это был один человек. Еще недавно в некоторых иностранных книгах по истории химии писали, что существовало два Ломоносова: один химик, а другой поэт!

Как и все лучшие сыны русского народа, Ломоносов горячо любил родину и много сил положил на укрепление ее мощи, на улучшение жизни народа. Заботясь о распространении знаний, Ломоносов был фактическим основателем Московского университета, являющегося до сих пор одним из крупнейших научных центров нашей страны.

В самых различных областях знания работал Ломоносов. Но особенно много занимался он физикой и химией. Ломоносов создал первую в России химическую лабораторию, предназначенную для чисто научных исследований. Раньше других он понял значение взвешивания веществ при химических превращениях.

Производя опыты, Ломоносов подтвердил великий закон природы, открытый им раньше.

Еще в 1748 году Ломоносов писал: «Все перемены в природе случающиеся такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько присоединится к другому… Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения…» Значение этого всеобщего закона сделалось ясным только в наше время. Первую часть открытого закона — закон сохранения массы — Ломоносов подтвердил в 1756 году тщательными опытами. Через 17 лет после Ломоносова ею опыты повторил и расширил талантливый французский химик Лавуазье, способствуя тем самым утверждению закона сохранения массы в химии. Спустя сто лет, в 1842 году, немецкий врач Р. Майер сформулировал закон, получивший в дальнейшем название «закона сохранения энергии». Мы знаем теперь, что этот закон является одной из конкретных формулировок общего закона, сформулированного Ломоносовым. Ломоносов первый увидел обе стороны открытого им всеобщего закона. Объединенный закон сохранения массы и энергии должен по справедливости называться законом Ломоносова.

^{Рис. 3. Приборы, изобретенные Ломоносовым.}

На протяжении последних ста лет закон Ломоносова был тем фундаментом, на который опиралось развитие науки и техники. Именно знание этого закона обеспечило сказочный технический прогресс, свидетелями которого мы являемся. В последние десятилетия, когда ученые напряженно трудились, пытаясь раскрыть тайны строения атома, закон сохранения массы и энергии был той путеводной нитью, которая направляла поиски исследователей, уменьшала опасность сбиться с правильного пути и сделать ложные выводы. Без знания этого закона невозможно было бы овладеть огромными запасами энергии, скрытыми в атомных ядрах. И в наши дни гениальная мысль о существовании закона сохранения материи в широком смысле слова раскрывается в новых конкретных формах.

Изучая свойства тел, великий русский ученый объяснил истинную причину таких свойств, как упругость газов, нагревание тел при трении и т. д.

Что происходит с телами при нагревании? Что такое тепло? Почему тела притягиваются к земле? Почему газ сопротивляется сжатию? Почему тело, выставленное на мороз, охлаждается? Эти вопросы особенно интересовали науку во времена Ломоносова.

В то время в европейской науке существовал один ответ на все перечисленные выше вопросы. Для объяснения непонятных явлений наука располагала тогда целым набором таинственных «невесомых веществ», или, как их называли, «материй». Например, существовали «невесомая тепловая материя», «невесомая материя упругости», «материя холода» и т. д. При помощи этих «материй» можно было на словах объяснить все что угодно, по существу не объясняя ничего. Вас, например, интересует, почему вода в чайнике, поставленном на огонь, нагревается. Ответ готов: невесомая тепловая материя, выделяемая огнем, входит в воду, и вода нагревается!

Вы хотите знать, почему газ сопротивляется сжатию? Потому что в нем имеется невесомая материя упругости, которая и противится уменьшению объема, занимаемого газом.

Такое «объяснение» непонятных явлений напоминает рассуждение невежественного врача в одной из мольеровских комедий, который объяснял снотворное действие опия, содержащегося в зернах мака, тем, что опий «обладает усыпляющими свойствами»!

Ясно, что такого рода объяснения ничего не объясняют, не помогают понять, почему в природе происходят те или иные явления.

И вот с этими «невесомыми материями» и начинает борьбу Ломоносов. В своих сочинениях он доказывает, что и тепло и упругость газов можно понять, не пользуясь таинственными «материями».

Объяснение оказывается очень простым, если на помощь призвать атомное учение.

В XVIII веке атомное учение сделало значительный шаг вперед, стало конкретной научной гипотезой. М. В. Ломоносов был первым, кто связал представления об атомах с экспериментальными данными о составе и свойствах различных веществ. Атомная теория Ломоносова является органической частью всего его материалистического учения.

Ломоносов считал, что все тела состоят из мельчайших частиц, или, как он их называл, «корпускул». Корпускулы чрезвычайно малы, и потому даже в небольшом количестве вещества их должно быть очень много. Но корпускулы — это еще не самые малые частицы вещества. Они состоят из еще более мелких частиц — «элементов». Таким образом, корпускулы — это то, что мы теперь называем молекулами, а элементы — атомы.

Свойства тел и явления природы Ломоносов объясняет движением и взаимодействием частиц материи. Фактически основой его атомной теории стало положение о неразрывности материи и движения, в противоположность старой теории, считавшей движение чем-то внешним по отношению к атомам.

Сходных взглядов придерживался современник Ломоносова, талантливый швейцарский физик, член Петербургской Академии наук Даниил Бернулли. Однако большинством иностранных ученых идеи Ломоносова были встречены чрезвычайно враждебно. В 1754 году некий Арнольд для получения ученой степени в Эрлангенском университете (Германия) написал сочинение, в котором «с успехом доказал» неправильность объяснения теплоты, которое было дано Ломоносовым.

Но беспристрастный суд истории показал, что прав был Ломоносов: учение об атомах завоевало всеобщее признание.

Однако это произошло далеко не сразу.

Первоначально атомное учение прочно укрепилось в химии. Этому много способствовали труды английского ученого Джона Дальтона, который убедительно показал, какие замечательные перспективы открывает применение атомного учения в химии. Сложные законы химических превращений делались простыми и ясными, стоило только признать, что вещество состоит из мельчайших неделимых частиц. Атомное учение позволяло узнавать состав сложных соединений, сознательно искать пути получения новых веществ, предвидеть возможный результат химических превращений.

Атомное учение дало возможность не только объяснить открытые опытным путем законы, определяющие поведение вещества, но и предсказать новые явления и закономерности, до того неизвестные.

Однако и это не обеспечило признания реальности атомов. Еще во второй половине прошлого столетия идеалисты разных мастей всячески пытались помешать распространению атомного учения. Многие горе-теоретики утверждали, что атомы — это плод человеческой фантазии, а успехи атомной теории — это всего лишь случайная удача предположения, не имеющего под собою твердой почвы.

Только в результате длительной и напряженной борьбы, в которой атомное учение отстаивалось передовыми исследователями различных стран, оно сделалось общепризнанным.

В этой борьбе особенно велики заслуги английского физика К. Максвелла, немца Р. Клаузиуса, австрийского физика Л. Больцмана, польского ученого М. Смолуховского и недавно умершего друга Советского Союза француза Ж. Перрена.

Совместная работа лучших ученых мира подтвердила гениальную мысль Михаила Васильевича Ломоносова о том, что свойства тела определяются свойствами образующих его частиц, их расположением и движением.

Молекулы

Итак, все в мире состоит из мельчайших частиц, которые Ломоносов называл корпускулами, а мы называем молекулами.

Если делить крупинку сахара или каплю воды на все более и более мелкие части, то рано или поздно мы придем к предельно малой частице — молекуле. Молекула сохраняет еще свойства, присущие данному веществу: молекула воды сохраняет свойства воды, молекула сахара — свойства сахара.

Насколько малы молекулы и как много их в любом теле, можно видеть из такого примера. Представьте себе, что мы взяли стакан воды и при помощи особой краски переметили все находящиеся в нем молекулы воды. Выльем этот стакан воды с мечеными молекулами в океан и перемешаем воду равномерно между всеми океанами, морями и реками мира. Если теперь в любом месте зачерпнуть стакан воды, то в нем окажется около сотни знакомых нам меченых молекул.

Молекулы так малы, что трудно представить себе их состоящими из еще более мелких частиц. А между тем молекулы действительно состоят из еще более мелких частиц, которые теперь и называются атомами.

^{Рис. 4. Если сложить вместе столько песчинок, сколько содержится молекул воздуха в одном кубическом сантиметре, то получится куча, которая закроет большой завод.}

Однако если разделить молекулы на атомы, то присущие данному веществу свойства будут потеряны. Молекула воды распадется на атом кислорода и два атома водорода. Водород и кислород — газы; по своим свойствам они совсем не похожи на воду.

Физические и химические свойства молекул зависят от того, из каких атомов состоит молекула. На рисунке 5 изображены молекулы веществ, знакомых нам из повседневной жизни.

^{Рис. 5. Модели молекул: а — кислорода, б — углекислого газа, в — бензола.}

Молекула углекислого газа получается в результате соединения атома углерода с двумя атомами кислорода; в молекуле химического вещества, называемого бензолом, содержится шесть атомов углерода и шесть атомов водорода. Молекула кислорода состоит из двух одинаковых атомов кислорода. Встречаются молекулы более сложные, но есть и такие, которые состоят всего из одного атома.

Если заменить хотя бы один из атомов, входящих в молекулу, другим, свойства ее изменятся. Молекула воды состоит, например, из одного атома кислорода и двух атомов водорода (рис. 6).

^{Рис. 6. Молекула воды.}

Если один из атомов водорода в молекуле воды заменить на атом металла натрия, то получится молекула вещества, называемого едким натрием, или едкой щелочью. Едкий натрий — твердое вещество, по своим свойствам совершенно непохожее на воду. Свойства молекул, однако, зависят не только от того, какие атомы входят в их состав, но и от того, как они расположены. В этом можно убедиться, рассмотрев две молекулы, изображенные на рисунке 7.

^{Рис. 7. Две молекулы, различающиеся расположением атомов.}

Каждая из них содержит 4 атома углерода и 10 атомов водорода, но свойства этих молекул различны.

Причиной тому — разное расположение атомов.

Атомы в молекулах располагаются не как угодно. Их размещение подчиняется определенным законам. В приведенном примере возможны только два расположения атомов, а следовательно, только две различные молекулы с одним и тем же составом. При увеличении числа атомов в молекуле количество возможных расположений их быстро возрастает; так, у молекулы, состоящей из 13 атомов углерода и 28 атомов водорода, возможны уже 802 различных расположения атомов, и, следовательно, у вещества с таким составом мыслимы 802 различные молекулы.

В этой книжке будет рассказано о таких свойствах и превращениях тел, при которых состав молекул остается неизменным. Поэтому мы в дальнейшем изложении для простоты условно будем считать молекулы очень маленькими твердыми шариками с определенными, неизменными свойствами, не задумываясь о том, как в действительности они устроены.

Несмотря на то, что молекулы нельзя было увидеть даже в самый сильный из обычных микроскопов, ученые нашли способы с полной достоверностью доказать их существование. А в недавнее время удалось построить замечательный прибор — электронный микроскоп, который увеличивает настолько сильно, что с его помощью можно увидеть и отдельные молекулы. На рисунке 8 изображена сделанная при помощи электронного микроскопа фотография одного сложного химического соединения. Правда, такие молекулы являются гигантами в мире молекул. Обычные же молекулы настолько малы, что и в электронный микроскоп мы не можем их увидеть.

^{Рис. 8. Электронный микроскоп и полученная с его помощью фотография молекул одного сложного химического соединения.}

Вечное движение

Каковы же свойства молекул?

«Первым и самым важным из прирожденных свойств материи является движение», — писали около ста лет назад Маркс и Энгельс. Молекулы не находятся в покое, а непрестанно движутся.

Очевидно, и частицы воздуха, беспорядочно двигаясь, непрерывно ударяются о нас, как бы обстреливают наши тела. Почему же мы не чувствуем этих ударов? Объясняется это очень просто. Молекулы, как мы знаем, чрезвычайно малы и легки, и наши органы чувств не воспринимают слабых ударов отдельных молекул. Не чувствуем же мы увеличения тяжести надетой на голову шляпы, когда на нее сядет комар. А комар состоит из многих миллиардов молекул!

Другое дело, если быстро движущаяся молекула ударяется об очень маленькую частицу, по размерам сравнимую с ней. В этом случае удар уже не пройдет бесследно для частицы.

Каждый из вас не раз наблюдал, конечно, как солнечный луч, попадая в темную комнату через щель ставни или неплотно задернутую штору, пронизывает воздух и делает видимым множество находящихся в нем мельчайших пылинок. Какое беспорядочное движение можно наблюдать при этом! Пылинки причудливо мечутся и кружатся, напоминая рой мошек в теплый летний вечер. Такое же беспорядочное движение можно увидеть, если, вооружившись микроскопом, присмотреться к частичкам дыма обычной папиросы. И такое же причудливое движение совершают мельчайшие частицы, если поместить их в жидкость. Сложные запутанные узоры выписывают, например, частицы цветочной пыльцы, высыпанной в воду.

Пылинки неутомимы в своем движении! Сколько бы времени вы ни наблюдали их — час, день, неделю, они с одинаковым усердием будут продолжать свою бесконечную пляску. В чем причина этого движения? Что заставляет частицы постоянно изменять свой путь, неожиданно бросаться в сторону, как будто наскочив на невидимое препятствие?

На первый взгляд ответ очень прост: ведь окружающий нас воздух никогда не бывает полностью спокоен. Даже когда нет ощутимого ветра, и тогда движутся навстречу друг другу и взаимно перемешиваются потоки теплого и холодного воздуха. Такие же тепловые потоки наблюдаются и в воде, нагретой в одном месте больше, чем в другом.

Не эти ли потоки, сталкиваясь друг с другом и взаимно перемешиваясь, заставляют пылинки двигаться? Ну что же, это можно проверить! Возьмем стакан с водой, к которой подмешана цветочная пыльца, обмотаем его ватой, чтобы защитить и от нагревания и от охлаждения, и поставим на стол вдали от окна. Пройдет несколько часов или, если хотите, дней, и вся жидкость сделается одинаково нагретой — тепловые потоки в ней исчезнут. Вероятно, и наши пылинки, не подгоняемые более, перестали двигаться? Но вооружимся микроскопом, и мы снова увидим, что среди пылинок царит прежнее оживление: как и раньше, они беспорядочно мечутся, гонимые какой-то неведомой силой.

Значит, не перемешивание жидкости или газа, вызванное разной нагретостью его отдельных слоев, причина движения пылинок. Поищем другое объяснение этого загадочного явления.

Не мы ли с вами сами являемся причиной этого движения? Ведь стакан, в котором мы наблюдаем движение, стоит на столе, и мы, двигаясь по комнате, закрывая и открывая двери, непрерывно сотрясаем стол. А когда мы неподвижны, это за нас делают проезжающие по улице автомобили, трамваи, автобусы.

Чтобы избежать каких бы то ни было сотрясений, ученые опускались в подземелья, где сосуд с жидкостью находился в полном покое. Но и это не могло успокоить пылинки, они двигались по-прежнему неутомимо!

Что же заставляет их двигаться?

Если присмотреться к нашему опыту, то в глаза бросится обстоятельство еще более странное, чем движение пылинок.

В самом деле, описанное явление можно наблюдать, подмешав к воде мельчайшие частицы любого вещества, нерастворимого в воде. Это вещество может быть и более тяжелым, чем вода. В последнем случае частицы должны были бы потонуть и собраться на дне стакана. Однако если мы проделаем такой опыт, например, с глиной, то убедимся, что часть частиц, вместо того чтобы упасть на дно стакана, расположится так, как это изображено на рисунке 9.

^{Рис. 9. Так располагаются мельчайшие частички в сосуде с водой.}

Внизу их будет больше, наверху меньше. И такое расположение не меняется, сколько бы времени мы ни наблюдали!

Что же мешает частичкам упасть?

Оказывается, одна и та же причина заставляет частицы двигаться и не дает им упасть. Это удары о них молекул воды.

Конечно, причудливые движения каждой цветочной пылинки не есть результат ударов отдельных молекул. Дело в том, что в какое-либо мгновение об одну из сторон пылинки ударяется или значительно больше молекул, чем о противоположную, или же молекулы, движущиеся с большей скоростью. Все эти удары складываются и заставляют пылинки двигаться в том направлении, в каком перемещаются избыточные или особенно быстрые молекулы.

Описанное движение мельчайших пылинок было открыто известным, шотландским ботаником Броуном и названо по его имени броуновским. А теория, объясняющая беспорядочное движение частиц под влиянием ударов молекул, была развита польским ученым М. Смолуховским.

Броуновское движение позволяет ученым обнаруживать движение молекул так же, как движение листвы деревьев позволяет заметить даже слабое дуновение ветерка.

^{Рис. 10. Схема броуновского движения.}

Со скоростью пули

В жизни мы привыкли чаще иметь дело с твердыми и жидкими телами и реже с газами. Поэтому первые нам представляются более простыми и понятными, чем неосязаемые и невидимые газы. Однако не все, к чему мы привыкли и что кажется нам простым и ясным, является в действительности простым. Оказывается, газы имеют более простое строение, чем жидкости или твердые тела; поведение молекул газов легче изучить и понять.

Если бы мы построили микроскоп, в который можно было бы видеть отдельные молекулы, и стали бы с его помощью рассматривать спокойный воздух или какой-либо газ, то обнаружили бы в «спокойном» воздухе или газе невообразимую сутолоку и суету. Молекулы газа движутся беспорядочно по всем направлениям с самыми различными скоростями. На первый взгляд здесь нет никакого порядка, никаких правил движения. Есть молекулы быстрые, есть и молекулы медленные; и те и другие движутся по всем направлениям. Однако если измерить скорости большого числа молекул, то окажется, что очень быстро и очень медленно движется совсем небольшая доля молекул.

Важный для науки закон, который указывает, как распределяются молекулы по скоростям (то-есть сколько молекул движется медленно, сколько — быстро), был найден английским физиком К. Максвеллом.

По этому закону подавляющее большинство молекул движется со скоростями, мало отличающимися друг от друга. Таким образом, без большой ошибки можно считать, что все молекулы движутся с одной и той же средней скоростью.

Сказанное можно пояснить таким примером. Если собрать всех только что призванных в армию солдат одного года рождения, построить их рядами, так, чтобы в каждом ряду стояли солдаты одного роста, затем ряд самых высоких поставить справа, а самых низких слева, то окажется, что новобранцев очень высокого и очень маленького роста будет только несколько человек, а чем ближе к середине, тем длиннее будут ряды. Большинство призывников имеет близкий к среднему рост. Это правило будет оправдываться всегда, когда мы будем брать достаточно большое количество призывников. Если же мы захотим проверить сказанное, взяв десять-одиннадцать призывников, то можно случайно встретиться со значительными отклонениями от этого правила. Точно так же и замена различных скоростей молекул средней скоростью не будет приводить к ошибкам только в том случае, если молекул достаточно много, потому что тогда доля молекул со скоростями, значительно отличающимися от средней, будет невелика. Но даже в очень небольшом количестве газа, например в объеме, равном булавочной головке, содержится громадное число молекул, исчисляющееся цифрой с 16 нулями. Поэтому во всех практических случаях можно без существенной ошибки считать, что все молекулы движутся с одной и той же средней скоростью.

Какова же величина средней скорости движения молекул газа?

У разных газов она различна.

Самые быстрые молекулы — молекулы легкого газа водорода. Медленнее движутся молекулы кислорода. Еще медленнее — молекулы углекислоты, тяжелого газа, образующегося при многих химических превращениях и, в частности, при горении.

При обычной температуре молекула водорода пробегает около 2 километров в секунду, то-есть около 7 000 километров в час (рис. 11).

^{Рис. 11. При обычных температурах молекулы водорода движутся быстрее самолета и поезда.}

Молекулы кислорода совершают за 1 секунду путь около 500 метров, то-есть около 1 800 километров в час. Скорость движения молекул углекислоты — 1 200 километров в час. Еще медленнее движутся молекулы некоторых сложных веществ; например, молекулы вещества, называемого карбонилом никеля, проходят за час меньше 600 километров. Такую молекулу легко обгонит современный самолет.

Эти цифры вызывают законное удивление. В самом деле, молекулы водорода, двигаясь беспрепятственно, облетели бы вокруг Земли по экватору всего за 6 часов. Даже медленная молекула углекислоты совершила бы это путешествие меньше чем за двое суток.

С другой стороны, мы знаем, как медленно распространяются запахи. Если на некотором расстоянии от нас разольют бензин, то для того, чтобы запах дошел до нас, необходимо некоторое время. Но ведь скорость распространения запаха — это и есть как будто скорость движения молекул пахучего вещества в воздухе. Как же примирить быстрое движение молекул, проходящих сотни метров в секунду, с медленным распространением запаха?

«Очевидно, что отдельные атомы воздуха, взаимно приблизившись, сталкиваются с ближайшими… вторые атомы друг от друга отпрыгнули, ударились в более близкие к ним и снова отскочили; таким образом, непрерывно отталкиваемые друг от друга частыми взаимными толчками, они стремятся рассеяться во все стороны», — писал М. В. Ломоносов.

Распространение одного газа в другом, вызванное беспорядочным движением молекул, называется диффузией. Теперь нам понятно, почему диффузия происходит медленно.

Соударение молекул! Вот в чем причина медленности диффузии. Хотя молекулы газов и движутся с очень большими скоростями, они проходят без соударения только очень короткие пути — миллионные доли сантиметра.

Соударения резко изменяют направление движения молекул и придают их путям причудливую, замысловатую форму.

Таким образом, двигаясь очень быстро, но непрерывно меняя направление своего движения, молекулы как бы «толкутся» на месте. В этом суетливом движении молекулы медленно перемещаются вперед.

Чем чаще происходят соударения, тем медленнее диффундирует газ. В окружающем нас воздухе соударения молекул происходят очень часто. Если бы мы попытались сосчитать удары, которые испытывает молекула только за одну секунду, и при этом условились тратить одну минуту на сосчитывание ста ударов, то для этого понадобилось бы около двухсот лет.

Молекулы, летящие со скоростью пули, бесчисленные соударения, причудливый узор пути, своеобразный закон распределения молекул по скоростям… Все это может заронить сомнение в реальности наших объяснений.

В науке установилось золотое правило — проверять опытом все предположения, как бы остроумны они ни были. Нет оснований делать исключение и для молекул. Надо измерить скорости движения мельчайших частиц, проверить, как распределяются эти скорости: какая доля молекул движется быстро, какая медленно.

Не фантазия ли это?

Однако как же измерить скорость движения молекул, если молекулы столь малы, что их нельзя рассмотреть даже в самый сильный микроскоп?

Вероятно, многие замечали, что стеклянный колпачок перегоревшей электрической лампочки часто бывает покрыт темным налетом. Отчего возникает этот налет?

Когда электрическая лампочка включена, металлический волосок, от которого исходит свет, сильно накален. От его поверхности непрерывно отрываются атомы металла. Оторвавшись, атомы разлетаются в разные стороны и, ударившись о стенку стеклянного колпачка, прилипают к ней. Так, волосок, теряя атомы, делается все тоньше и тоньше, а на стекле образуется постепенно утолщающийся слой осевших атомов. Когда слой осевших атомов сделается достаточно толстым, его можно будет различить глазом: мы увидим на стекле темный налет. Чем больше осядет атомов, тем темнее будет этот налет.

Волосок электрической лампочки делают из какого-либо тугоплавкого металла, например из вольфрама, у которого атомы с трудом отрываются от поверхности. Поэтому лампочка горит много часов, прежде чем на колпачке возникнет заметный налет. Изготовив волосок из легкоплавкого металла, можно получить темный налет очень быстро.

Этим явлением и воспользовались ученые, для того чтобы измерить скорости движения атомов.

Если из стеклянного баллончика очень тщательно откачать воздух, то оторвавшиеся от металла атомы будут долетать до стенки, не ударяясь по пути о молекулы воздуха. В этом случае путь каждого атома будет известен: он будет начинаться на поверхности волоска и оканчиваться на стенке баллончика. Теперь, для того чтобы определить скорость движения атомов, достаточно узнать время, которое затрачивают атомы на свое путешествие.

Для решения этой задачи был построен специальный прибор.

Справа от накаленного волоска расположена ширма с узкой щелью, а за нею, на некотором расстоянии, экран. Ширма преграждает путь всем атомам, кроме тех, которые попадут в щель. За ширмой летящие атомы образуют узкий лучик. Осев на экране, они создадут несколько увеличенное темное изображение щели (рис. 12).

^{Рис. 12. Устройство прибора для определения скоростей молекул.}

По существу, мы встречаемся здесь с тем же приемом, которым пользуются маляры при нанесении рисунка с помощью трафарета. Как известно, трафаретом называют пластинку, в которой сделано отверстие по форме желаемого рисунка. Приложив трафарет к стене, проводят по нему кистью с краской. Краска попадает на стену только в местах, соответствующих отверстиям в трафарете. Сняв трафарет, мы видим на стене рисунок.

В описываемом опыте роль кисти с краской играет пучок быстро летящих атомов.

В неподвижном приборе изображение щели приходится как раз напротив нее.

Предположим теперь, что прибор быстро вращается против часовой стрелки вокруг накаленного волоска. Каждый атом по-прежнему будет двигаться прямолинейно. Однако теперь за то время, которое требуется атому для того, чтобы, пройдя щель, долететь до экрана, весь прибор успеет слегка повернуться, и атом прилипнет к экрану не в том месте, где раньше, а несколько в стороне.

Если бы все атомы двигались с одинаковой скоростью, то изображение щели на экране, не изменившись по форме, сместилось бы на некоторое расстояние. Смещение было бы тем больше, чем медленнее двигались бы атомы и чем быстрее вращался бы прибор.

Зная число оборотов прибора в секунду, расстояние от щели до экрана и смещение изображения, можно вычислить скорость движения атомов.

Когда подобный опыт был произведен, то оказалось, что изображение щели не просто смещается, как только что описано, но одновременно со смещением размазывается (рис. 13).

^{Рис. 13. Изображение щели на экране приборчика.}

Причина этого ясна. Отдельные атомы движутся с разными скоростями. В пучке летящих атомов есть движущиеся быстро, есть и движущиеся медленно. Первые попадут на экран, сместившись немного, вторые — значительно. В результате вместо резкого изображения на экране появится размытая полоска. Присмотревшись к ней, мы заметим, что окраска полоски не одинакова. Ясно выступает более темная часть, на которую упало, очевидно, большее количество атомов. Все эти атомы двигались со скоростями, близкими друг к другу. Если какой-либо участок полоски в два раза темнее, чем другой, то это означает, что на него упало в два раза больше атомов, чем на тот, который светлее. А так как каждому участку полоски соответствует определенная скорость движения атомов, то, разделив полоску на отдельные участки и сравнивая их потемнение, ученые проверили, как распределяются скорости атомов.

Эти опыты полностью подтвердили правильность атомного учения.

Мы уверены теперь в том, что большая часть атомов или молекул движется со скоростями, не очень сильно, отличающимися от средней скорости.

Но от чего же зависит сама средняя скорость? Можно ли ее изменить: увеличить или уменьшить?

Что такое теплота?

В обыденной жизни мы различаем тела теплые 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 ученых.

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 материях физических и химических, весьма нужных, которые поныне не знали и истолковать не могли самые остроумные люди… Желать должно, чтобы и другие Академии в состоянии были произвести такие откровения, какие показал г-н 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 встаем из теплой постели, в той же комнате нам кажется холодно.

Можно проделать еще такой опыт: взять три чашки, наполнить первую холодной водой, вторую теплой 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, перенесете обе руки в чашку с теплой 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-то для суждения о том, насколько нагрето тело, лучше воспользоваться термометром.

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 поднимается жидкость. Поместив сзади трубочки линейку с делениями, можно определять степень нагретости тела, или, как говорят, измерять температуру в градусах.

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

Хорошо известно, что если привести в соприкосновение две порции одного и того же газа, одна из которых холодная, а другая горячая, то первая нагреется, а вторая остынет, и температура газа сделается всюду одинаковой.

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», — писал Ломоносов.

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

^{Рис. 14. Температура различных тел. На центральном рисунке указана температура атомного взрыва.}

У читателя, естественно, возникнет вопрос: а что произойдет в том случае, если привести в соприкосновение два разных газа, имеющих одинаковую температуру? Сравняются ли при этом средние скорости молекул обоих газов? Оказывается, что этого не произойдет.

Очевидно, что наше простое определение температуры требует уточнения.

Чтобы определить точно, что такое температура, придется начать издалека.

Всякое движущееся тело способно совершить работу, оно обладает, как говорят физики, кинетической энергией. Не составляют исключений и движущиеся молекулы газов, — они тоже обладают кинетической энергией.

Чем быстрее движется тело, тем больше его кинетическая энергия. Из двух тел, движущихся с одинаковой скоростью, кинетическая энергия больше у того, масса которого больше, которое тяжелее.

Вычислить кинетическую энергию тела несложно: для этого надо массу тела умножить на квадрат его скорости и полученный результат разделить пополам.

^{Рис. 15. Так измеряется кинетическая энергия тела. М — масса тела, V — его скорость.}

Как показывают точные вычисления, температура тела является мерой средней кинетической энергии поступательного движения его молекул.

При одинаковой температуре средние кинетические энергии поступательного движения молекул всех газов равны. Понятно, что при этом более тяжелые молекулы движутся медленнее, более легкие быстрее. Если массы молекул различаются весьма значительно, то может оказаться, что средняя скорость молекул более холодного газа больше, чем у газа теплого. Для этого, конечно, необходимо, чтобы масса молекул холодного газа была много меньше массы молекул газа теплого.

Зная, от чего зависит температура газа, можно сделать два важных заключения.

Повышая температуру газа, мы повышаем скорость движения его частиц, и поскольку скорость можно увеличивать до очень больших значений, постольку возможны, очевидно, и очень высокие температуры. Известно, что астрономы предполагают внутри звезд температуры, исчисляемые миллионами градусов.

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.

Если теперь заменить плоскую чашку чашкой того же веса, но больших размеров, то для уравновешивания весов понадобится и больше гирь. Следовательно, один и тот же дождь давит на большую чашку весов с большей силой. Поэтому если мы хотим указанным способом охарактеризовать силу, с которой давят падающие капли дождя, то необходимо условиться, каких размеров следует брать плоскую чашку. Проще всего принять поверхность такой условной чашки равной одному квадратному сантиметру.

Если для поддержания весов в равновесии в описанном опыте пришлось положить на закрытую чашку 400 граммов, а поверхность открытой чашки была 20х20=400 квадратных сантиметров, то, значит, дождь давил на чашку с силой, равной 400 г:400 см², то-есть с силой в 1 грамм на каждый квадратный сантиметр поверхности чашки.

Силу, приходящуюся на единицу поверхности, называют давлением, и можно сказать, что давление дождя в описанном опыте равнялось 1 грамму на квадратный сантиметр поверхности.

Какое же отношение имеет сказанное к свойствам газов? Самое непосредственное!

Мы знаем, что молекулы газов беспорядочно движутся со скоростями, близкими к скорости полета пули. При движении молекулы сталкиваются со своими соседями и ударяются о стенки сосуда, в который заключен газ. Если наполнить бутылку обычным, не сжатым воздухом, то число ударов, которое испытывает каждый квадратный сантиметр поверхности бутылки в 1 секунду, выразится цифрой с 22 нулями. Это очень большое число. Если бы такое число просяных зерен положить рядышком одно к другому, то можно было бы сто раз протянуть эту дорожку из зернышек до одной из ближайших звезд и обратно.

Таким образом, на стенки бутылки непрерывно падает чрезвычайно частый дождь мельчайших «капелек» вещества — молекул. Частицы газа как бы бомбардируют стенки сосуда.

Удары отдельных молекул так слабы, что не отмечаются ни приборами, ни нашими органами чувств, но они так часто следуют друг за другом, что, сливаясь вместе, производят давление, которое уже нетрудно измерить приборами или ощутить непосредственно.

От чего зависит давление газа?

Очевидно, что чем больше молекул ударится в единицу времени о какую-либо поверхность, тем большее давление будет сна испытывать. Кроме того, давление зависит от скорости движения молекул газа. Чем быстрее движутся молекулы, тем сильнее они ударяются о поверхность и тем больше будет производимое ими давление.

А что же происходит при сжатии газа?

Уменьшив объем, занимаемый тазом, в два раза, мы тем самым в два раза увеличим число молекул в каждом кубическом сантиметре, а значит, в два раза увеличим и число ударов о стенки сосуда в каждую секунду.

Если сжимать газ при постоянной температуре, то скорость молекул не изменяется: они ударяют о стенки с прежней силой, только чаще. Так, в нашем примере после уменьшения объема газа молекулы будут ударять о стенки в два раза чаще, и, значит, в два раза возрастет давление газа.

При очень сильном сжатии газ может сильно нагреваться. Кто знаком с работой дизельного мотора, тот знает, что в цилиндрах этой машины нет никаких «свечей» или каких-либо других средств зажигания. Поршень, сжимая газ в цилиндре, заполненном горючей смесью, сообщает ее молекулам такую скорость, что смесь разогревается до температуры вспышки. Воспламенившись, смесь быстро сгорает. Температура продуктов горения поднимается при этом еще выше, давление в цилиндре увеличивается, и поршень отбрасывается назад.

Вспомните, что, накачивая велосипедную шину, вы ощущаете, как нагревается насос. Многие скажут, что он нагревается благодаря трению поршня о стенки насоса. Это не совсем верно. Качайте этим же насосом воздух не в шину, а просто в атмосферу. Если насос при этом и нагреется, то слабее, чем в первый раз. Главная причина нагревания насоса заключается опять-таки в том, что, быстро сжимая газ, вы увеличиваете среднюю скорость его молекул, или, другими словами, повышаете его температуру.

При расширении сжатых газов наблюдается обратная картина — они охлаждаются.

Давление быстро растет при нагревании газов. Как это объяснить?

Вы уже знаете, что при нагревании газа скорости молекул увеличиваются. Быстрее двигаясь, молекулы чаще ударяются о стенки, и каждый удар их сильнее, чем при низкой температуре. Понятно, что возникающее от сложения ударов отдельных молекул давление газа в этом случае будет значительно больше.

Такова причина упругости газов. Впервые указал на нее М. В. Ломоносов.

«… Мы считаем излишним, — писал Ломоносов, — призывать на помощь для отыскания причины упругости воздуха ту своеобразную блуждающую жидкость, которую очень многие — по обычаю века, изобилующего тонкими материями, — применяют обыкновенно для объяснения природных явлений. Мы довольствуемся тонкостью и подвижностью самого воздуха и ищем причину упругости в самой материи его».

Жидкие газы

Сжимая какой-либо газ, мы уменьшаем расстояние между его молекулами. Увеличивая давление, можно очень сильно сблизить молекулы газа.

Известно, что вещество в жидком состоянии занимает меньший объем, чем в парообразном. Объем одного стакана воды, например, — 0,2 литра. То же количество воды в виде водяного пара займет объем приблизительно в полторы тысячи раз больший.

Невольно возникает вопрос: что же будет, если мы, увеличивая давление, сблизим молекулы газа до тех расстояний, на которых находятся друг от друга молекулы жидкостей? Не превратится ли газ в жидкость?

Этот вопрос давно привлекал внимание ученых. Более ста лет тому назад, в 1823 году, им занялся молодой английский физик М. Фарадей. Он производил много опытов, настойчиво добиваясь ответа на интересующий его вопрос.

Однажды, когда Фарадей ставил очередной опыт, пытаясь превратить в жидкость удушающий газ хлор, в лабораторию вошел его руководитель вместе с одним из своих приятелей. Последний, заметив на стенках прибора маслянистую жидкость и думая, что прибор загрязнен каким-то маслом по небрежности Фарадея, сделал ученому замечание. На следующее утро почтальон принес ему письмо молодого физика. Письмо было кратким: «Масло, замеченное вами вчера, было не чем иным, как жидким хлором».

Что же происходит при сжатии газа? Почему газ превращается в жидкость?

До сих пор при рассмотрении свойств мельчайших частиц вещества — атомов и молекул — мы умалчивали об одном важном их свойстве. Атомы и молекулы любого вещества притягиваются друг к другу особыми силами — силами молекулярного сцепления, подобно тому, как все тела притягиваются к земле силой тяготения. Пока расстояния между молекулами велики, силы молекулярного сцепления малы. Однако они быстро растут по мере того, как это расстояние уменьшается. Таким образом, при сжатии газа силы сцепления молекул друг с другом возрастают. Этих сил и оказывается достаточно для того, чтобы при комнатной температуре, когда молекулы газа еще быстро движутся, превратить в жидкость многие газы.

Так были получены жидкие газы: хлор, аммиак, углекислота и другие.

^{Рис. 17. Если литр воды обратить в пар, то пар при температуре кипения воды и атмосферном давлении займет цистерну объемом в 1 500 литров.}

Однако не все газы удается превратить в жидкость при комнатной температуре. Имеется много газов, которые при обычной температуре не сжижаются, какое бы высокое давление вы ни применили. К таким газам относятся кислород, азот, водород и т. д. Для них было придумано даже специальное название — «постоянные» газы. Так называли эти газы, желая подчеркнуть невозможность превращения их в жидкость.

В чем же причина загадочного «постоянства» кислорода, азота и других несжижающихся газов?

Правильный ответ на этот вопрос дал великий русский ученый Дмитрий Иванович Менделеев. Он рассуждал так: когда сжимается какой-нибудь газ, силы молекулярного сцепления помогают сжатию, стараются еще сильнее сблизить молекулы друг с другом. Этому сближению, однако, противится тепловое движение молекул, которое заставляет молекулы рассеиваться во все стороны, вызывает в газе стремление расшириться и занять возможно больший объем.

Если силы сцепления велики, они могут преодолеть стремление газа к расширению, удержать молекулы друг около друга и таким образом создать некоторый порядок в их расположении, характерный для жидкости.

Но когда силы сцепления невелики, тепловое движение молекул не позволит газу превратиться в жидкость, силы сцепления не смогут преодолеть стремления молекул улететь друг от друга возможно дальше. В этом и заключается причина «постоянства» таких газов, как кислород, азот или водород. Встречаем ли мы здесь непреодолимое препятствие, поставленное природой на пути человека? Отнюдь нет!

Для того чтобы превратить в жидкость «постоянные» газы, необходимо лишь сильно охладить их. При понижении температуры скорость движения молекул уменьшается, делается меньше стремление их рассеяться в разные стороны, и сил сцепления оказывается достаточно для сжижения газа.

Д. И. Менделеев указал, что для каждого газа существует определенная температура, выше которой его никаким давлением нельзя превратить в жидкость. При более высокой температуре жидкость существовать не может. Менделеев назвал эту температуру «температурой абсолютного кипения».

В наше время ее называют «критической температурой» вещества.

Критические температуры различных веществ сильно отличаются друг от друга. Так, водяной пар нельзя превратить в воду, если он нагрет выше 374 градусов, кислород же нельзя превратить в жидкость, если он не охлажден до 119 градусов ниже нуля.

Теперь понятно, почему так долго не могли превратить «постоянные» газы в жидкости. Температуры этих газов были выше их критических температур. Когда одновременно со сжатием начали сильно охлаждать газы до температур ниже критической, то все известные газы были превращены в жидкость и само название «постоянные» газы потеряло смысл.

В наше время в школах можно часто видеть голубую подвижную жидкость, налитую в небольшой сосуд с двойными стенками, посеребренными изнутри. Это жидкий воздух. Самый обыкновенный воздух, который окружает нас и которым мы дышим, превращенный в жидкость.

Жидкий воздух и жидкий кислород имеют огромное значение для промышленности. С помощью жидких газов можно получить воздух, обогащенный кислородом, а применение кислородного дутья увеличивает производительность доменных печей больше чем в два раза. Велико значение кислорода при газификации топлива, в частности при подземной газификации углей. Кислород необходим для повышения производительности сернокислотных заводов, для получения крепкой азотной кислоты и т. д.

Большое значение для народного хозяйства имеет сжижение и других газов, например аммиака, хлора, углекислоты.

Если газ достаточно охлажден, то нет необходимости применять для его сжижения особенно большое давление. Так, при критических температурах водород становится жидким уже при давлении в 12,8 атмосферы, кислород — при 50,8 атмосферы.

Чем сильнее охлажден газ, тем меньшее давление требуется для его сжижения. Вспомните, как легко превращается пар в воду на холодных предметах, внесенных в комнату, или на стеклах окна в зимнее время. Незначительное понижение температуры воздуха летней ночью вызывает уже появление росы.

Сжижение газа является ярким доказательством наличия сил молекулярного сцепления.

Жидкости, в основном вода, играют огромную роль в жизни природы, в промышленности и технике, в сельском хозяйстве. Объяснение свойств жидкостей — одна из главнейших задач науки о строении вещества.