Вблизи абсолютного нуля

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.

Тепловая энергия может легко переходить от одного тела к другому. При этом, конечно, тела обмениваются теплом, а не «горячими» молекулами. Тело горячее постепенно остывает, а холодное — нагревается. Только вот что интересно. Тепло переходит только от горячего тела к холодному. А наоборот — в обратном направлении — идти не хочет.

Так ведет себя река, в которой вода течет лишь в одном направлении — по течению, туда, где уровень реки ниже.

Когда-то давно люди думали, что переносит тепло особое вещество — теплород. И очень удивлялись, что этот теплород такой разборчивый. Никак нельзя отнять его от холодного тела и передать горячему. А теперь мы знаем, в чем дело. Никакого теплорода нет и в помине. Просто молекулы одного тела двигаются быстрее, чем другого. Если эти тела положить один возле другого, то молекулы горячего тела будут подталкивать молекулы тела холодного. Сами они при этом замедлятся. Так продолжается до тех пор, пока скорости обоих тел примерно не сравняются. И тепловая энергия распределится между всеми молекулами.

Это общее свойство тепловой энергии. Сама собой она переходит только от тел более нагретых к телам менее нагретым.

Вот мы с вами и выяснили, что же такое температура. Она, оказывается, показывает, сколько в теле тепловой энергии, как двигаются его молекулы.

И чтобы понизить температуру, чтобы приблизиться к абсолютному нулю, надо эту энергию по возможности отнять у тела. Тогда оно начнет охлаждаться.

Сейчас мы займемся этой операцией. Получить небольшой холод сравнительно нетрудно. Вот пойти дальше, приблизиться к самому абсолютному нулю — задача потяжелее. Но мы справимся и с ней. Мы — на бумаге. А ученые давно уже достигли самых низких температур. Правда, сразу же возникает недоуменный вопрос. Мы все время говорим, что тепловая энергия переходит только к холодным телам. Горячие лишь остывают. Да и то не сами по себе, а если их поместить рядом с телами похолодней. Выходит, чтобы охлаждать тела, мы всегда должны заранее иметь что-то вроде холодильника?

Это все правильно, тепловая энергия сама по себе, самопроизвольно переходит лишь к телам менее нагретым, перемещается только в одном направлении. А вот специальными способами можно заставить ее путешествовать и в обратном направлении. Можно отнимать тепло и у холодных тел. Но для этого надо тратить энергию. Вот, например, стоит у нас дома холодильник. Он все время включен в электрическую сеть. Электричество работает в холодильнике. И в нем холодно. А попробуй-ка выключи его. Через несколько часов там будет тепло, как в комнате.

Создать низкие температуры трудно, но возможно.

Удержать их нелегко. Ведь кругом находятся теплые, горячие тела. Они рады передать кому-нибудь часть своей энергии. Приходится тщательно оберегать холод.

Если заглянуть внутрь стенок холодильника, можно увидеть там много слоев теплоизоляции. А все для того, чтобы не допустить в холодильник тепла из комнаты, чтобы молекулы воздуха не смогли передать молекулам холодильника часть своей энергии.

Горячие тела тоже очень трудно сохранять горячими. Даже если убрать воздух, и то тела остывают. Вы ведь знаете, что тепло от далекого Солнца идет к нам за миллионы километров пустого безвоздушного пространства.

Тепло от печки передается молекулами воздуха. Воздух около печки прогревается, расширяется, уходит вверх. Его место занимает другая порция. И так идет перемешивание, пока все тепло печки не разойдется равномерно по всей комнате.

Молекулы сильно нагретых тел отдают тепло в виде излучения. У них слишком много энергии. Температура велика, двигаются молекулы очень быстро. И отдают лишнюю энергию порциями излучения. Если поднести ладонь к сильно нагретому телу, то от него так и пышет жаром. Это летят невидимые тепловые лучи. Летят они и от звезд, и от нашего Солнца, летят за многие миллионы километров через межпланетное безвоздушное пространство. Именно таким способом Солнце «отапливает» нашу-Землю. Вся Вселенная заполнена этими «путешествующими» тепловыми лучами.

Сейчас их научились находить, ловить даже, когда их совсем мало.

Есть приборы, которые могут обнаружить даже спичку, зажженную на Луне.

Но тела, нагретые не сильно, почти не излучают. Поэтому защитой низких температур служит вакуум — пространство, лишенное воздуха.