Здравствуй, физика!

Нагреваем воздух

Что делается с воздухом при нагревании? Кое-что ты уже об этом знаешь. Мыльный пузырь летал потому, что теплый воздух в пузыре был легче воздуха в комнате. Хитрая змея вертелась возле печки потому, что теплый воздух поднимался вверх.

Как же это получается, что при нагревании воздух становится легче? Куда девается его вес? Сделаем опыт. Возьми бутылку из белого стекла, по возможности с тонкими стенками. Подбери к ней плотную пробку. Если корковой пробки нет, годится свежая морковка. Подбери стеклянную трубку, например, из набора для писания букв, и плотно вставь ее в отверстие пробки. Налей в бутылку немного воды, подкрашенной чернилами. Нижний конец трубки должен быть погружен в воду.

Узнаешь это сооружение? Точно с таким мы устраивали три фонтана. Только фонтана здесь не будет. Просто, когда ты обхватишь бутылку руками, вода начнет подниматься по трубке.

Значит, что-то вытесняет из бутылки воду, раз она полезла в трубку! Что же это такое? Ты, наверное, уже сообразил, что это опять он, невидимка-воздух. Тепла твоих рук оказалось достаточно, чтобы воздух нагрелся, расширился и потеснил воду!

Наш опыт не очень интересен на первый взгляд. В нем ничто не вертится и не крутится, не летит и не взрывается, не подпрыгивает и не бьет фонтаном. Но результат получился очень важный: при нагревании воздух расширяется. И расширяется сильно, если даже теплота твоих рук дала заметное действие.

А теперь о весе. Скажем, был у тебя один литр воздуха. И весил этот воздух 1,2 г (одну целую и две десятых грамма). Столько примерно он и весит. А потом ты этот воздух нагрел, да так сильно, что он расширился вдвое и стал занимать уже не 1 л, а 2. Сколько же он теперь весит? Да те же самые 1,2 г. Воздух ведь ниоткуда не прибыл и никуда не убыл. Просто он расширился, сделался более редким. Значит, общий вес нагретого воздуха не изменился.

Что же тогда изменилось? Изменился вес 1 л. Если литр холодного воздуха весил 1,2 г, то 2 л горячего воздуха весят те же самые 1,2 г. Значит, 1 л теперь весит 1,2: 2 = 0,6 г! Горячий воздух стал как бы легче потому, что он стал реже.

В действительности, для того чтобы воздух расширился вдвое, его нужно нагреть очень сильно, примерно до 300°. В наших опытах он нагревается гораздо слабее. Но все равно: даже и при небольшом нагревании воздух на сколько-то расширяется. Значит, каждый литр, даже каждый кубический сантиметр его становится хоть немного легче. И он теперь всплывет, поднимется в более холодном, более плотном окружающем воздухе. Он сможет крутить вертушку. Он сможет поднять легонькую оболочку мыльного пузыря. А если его будет очень много, разница в весе окажется достаточной, чтобы поднять целый монгольфьер!

Ну, а если воздух снова охладить? Отними ладони от бутылки, через некоторое время вода в трубке опустится и все придет в прежнее положение. Значит, при охлаждении воздух занимает меньше места, он сжимается. Это мы с тобой тоже уже видели. Сжавшийся воздух втянул воду под стакан в опыте «Сухим из воды».

Стакан ползет!

Воздух при нагревании расширяется. Ну, а при чем здесь какой-то ползущий стакан? Сейчас увидишь. Возьми кусок оконного стекла или зеркало длиной около 40 см. Чисто вымой это стекло и под один его край подложи два спичечных коробка. Поставь на стекло тонкий стакан вверх дном. Он, конечно, будет стоять на месте: ведь наклон стекла очень мал.

Хорошенько смочи края стакана водой. Нет, и водяная «смазка» не помогает. Стакан все равно стоит на месте. Ничего, сейчас мы заставим лентяя двинуться в путь! А ну-ка, поднеси к нему горящую свечу или лучинку. Ближе, ближе, пусть почувствует жар.

Стакан все еще стоит…

Смотри-ка: двинулся! Быстрее, быстрее ползет вниз, словно спасаясь от огня!

Что же здесь произошло? Воздух в стакане нагрелся и немного расширился. Он чуть-чуть приподнял стакан и вышел бы наружу, да мешает вода, которой смочены края. Стакан словно «повис» на водяной прослойке. Трение резко уменьшилось, и он пополз, вернее, поплыл вниз!

Нагреваем воду

Надеюсь, у тебя еще сохранился аппарат, в котором мы недавно нагревали воздух? Да, да, тот самый: бутылка с пробкой и трубочкой. Сейчас мы его используем для нового опыта. Будем нагревать уже не воздух, а воду.

На этот раз наполни бутылку водой до самого верха, до краев горлышка. Трубку выдвинь повыше и заткни бутылку пробкой. Вытесненный пробкой излишек воды поднимется по трубке. Пусть он там установится на высоте 1–2 см над пробкой. Если будет больше, отлей. Хорошо и здесь подкрасить воду чернилами.

Теперь воду в бутылке надо нагреть. Но здесь уже тепла твоих рук не хватит. Придется установить бутылку в кастрюлю с водой, подложив две палочки, чтобы под дном бутылки тоже была водяная прослойка, и все это сооружение поставить на огонь. Это называется «нагревать на водяной бане». Прямо ставить бутылку на огонь нельзя: она лопнет.

Следи внимательно за уровнем воды в трубке. Надеюсь, ты и на этот раз не забыл подкрасить воду чернилами? Смотри-ка: уровень немного опустился… Что же это, неужели вода при нагревании сжимается? Но не спеши с выводами. Уровень воды в трубке снова пополз вверх и поднимается все дальше и дальше. Он теперь выше, чем был с самого начала.

Значит, вода при нагревании все-таки расширяется. Ну, а почему же сначала уровень шел вниз? Не догадываешься? Да потому, что первой нагрелась бутылка и тоже расширилась. А потом уже тепло дошло до воды!

Какая у тебя температура?

Надеюсь, нормальная? Впрочем, это легко проверить. Возьми-ка термометр и подержи его под мышкой. Через несколько минут вынь и посмотри на шкалу. Видишь блестящий столбик ртути? Когда ты термометр ставил, этого столбика не было. Откуда же он взялся?

Ты скажешь: выполз снизу? Там ведь вон какая здоровая капля ртути в самом кончике трубочки! Совершенно верно, ртуть поднялась по трубочке именно из этой капли. Поднялась потому, что термометр нагрелся и жидкая ртуть в нем расширилась. Совсем как вода в нашем предыдущем опыте!

Есть еще термометры комнатные, и наружные, и водяные, которые пускают плавать в ванну. В тех не ртуть налита, а какая-то красная жидкость. Это спирт, подкрашенный, чтобы лучше было видно. Значит, спирт тоже при нагревании расширяется, а при охлаждении сжимается.

Нагреваем иголку

Как ты думаешь, что делается при нагревании с твердыми телами? Газы расширяются, жидкости расширяются. Наверное, и твердые тела тоже? Да, они тоже расширяются. Ты уже заметил это в опыте с нагреванием воды. Помнишь, уровень воды в трубке сначала немного понизился? Это ведь получилось потому, что бутылка расширилась. А бутылка — твердое тело.

Кстати, расширение бутылки может тебе пригодиться. Духи и одеколон часто продают во флаконах со стеклянными пробками. Пробки эти плотно пригнаны к горлышку, притерты, чтобы ценная жидкость не испарялась зря. Иногда такая пробка «заедает» и ее невозможно открыть. Что делать? Попросить кого-нибудь, кто посильнее? Силач охотно берется за дело. Трах! Пробка ломается — и все же флакон остается закрытым.

А ведь «ларчик просто открывался». Достаточно было несколько секунд подержать горлышко флакона в горячей воде или осторожно подогреть на спичке. Горлышко расширилось бы, и пробку можно было бы вынуть без усилия. Только не грей слишком долго, иначе пробка успеет нагреться и тоже расширится!

Впрочем, мы собирались нагревать иголку. Вырежь из пробки, из дощечки или выпили из фанеры такую дужку, как у нас на рисунке.

Иглу воткни острием в целый конец дужки (на рисунке — левый), а ушком свободно положи на правый, срезанный. Подбери другую иголку, потоньше. Ее острие должно пройти сквозь ушко первой, горизонтальной иглы да еще войти в дерево на 2–3 мм. Эта вертикальная игла будет стрелкой нашего приборчика. Чтобы ее движение было заметнее, рядом воткни вторую, контрольную.

Контрольная иголка должна быть параллельна иголке-стрелке.

Нагрей теперь горизонтальную иглу на свече или спичке. Она удлинится, ушко поползет вправо и отклонит вертикальную стрелку!

Нагреваем спицу

Красивый опыт можно сделать со стальной вязальной спицей. Пропусти ее сквозь пробку (или обрезок моркови). По обе стороны спицы воткни в эту пробку две булавки, как показано на рисунке. Они должны стоять острыми концами на донышке стакана.

На концы спицы насади по морковке. Лучше не серединкой, а так, чтобы основная часть каждой морковки была внизу. Это сделает равновесие спицы более устойчивым: ведь центр тяжести опустился ниже!

Получилось что-то вроде весов, Передвигая морковки, добейся, чтобы спица стояла совершенно горизонтально. Получилось? Ну, а теперь поставь под одно плечо этих весов зажженную свечу. Внимание… Смотри-ка: нагретое плечо опустилось! Убери свечу — и через некоторое время равновесие восстановится.

В чем здесь дело? Неужели одна сторона спицы от нагревания стала тяжелее? Нет, конечно. Просто она стала длиннее, и морковка «отъехала» дальше от точки опоры. Поэтому она и перетянула, как птичка перетягивала бегемота! А когда спица остыла, она снова укоротилась, и все стало по-прежнему.

Нагреваем… мост!

Чем же мы его будем нагревать? Спичкой? Свечкой? Не беспокойся, мост и без нас нагреется. Пусть только солнышко припечет хорошенько! А зимой, в мороз, мост, конечно, охладится. Но ведь мост стальной, как иголка или спица. Что же, значит, и он при нагревании удлиняется? Значит, мост летом длиннее, чем зимой?

Да, длиннее. Очень немножко, всего на несколько сантиметров. Но этого может хватить, чтобы разрушить устои, на которые мост опирается! Поэтому большие мосты из стали или железобетона ставят особенным способом. Неподвижно закрепляют только один конец моста, а другой лежит на стальных катках. Летом эти катки чуть отъезжают в сторону берега, зимой — в сторону реки. Мост «дышит»!

По этой же самой причине оставляют зазоры на стыках рельсов железной дороги. Казалось бы, эти зазоры только мешают, создают лишнюю тряску и шум. Чтобы поезда шли спокойнее, рельсы после укладки сваривают в длинные «плети», по нескольку штук в каждой. Но сварить в одну плеть все рельсы на всем протяжении дороги нельзя. Их либо порвет зимой, либо выпрет, изогнет в дугу в жаркий летний день!

Нагреваем длинный гвоздь

В толстую чурку забей гвоздь и поставь ее на противень, как показано на рисунке. Снизу к этому длинному гвоздю прилепи стеарином или воском несколько маленьких гвоздиков. Под шляпку гвоздя подставь горящую свечу.

Смотри: вот отвалился один гвоздик… другой… третий… Строго по порядочку, по очереди. Сначала самый близкий к огню, потом все дальше, дальше…

Значит, тепло передается по гвоздю от нагретого конца к холодному. И передается постепенно.

Когда гвоздь остынет, выдерни его и в оставшееся отверстие вставь лучинку. Повтори тот же опыт с ней. Картина будет совсем другая! Конец лучинки загорится, а гвоздики будут держаться по-прежнему. Выходит, что дерево проводит тепло гораздо хуже, чем железо.

Если есть у тебя подходящая по толщине стеклянная палочка или трубка, повтори опыт с ней. Она, конечно, не горит, но тепло проводит не лучше дерева.

Нагреваем граненый стакан

Сначала грани стакана заклей изнутри полосками белой и черной бумаги. Стакан стал полосатым, словно зебра! В этот стакан нужно поставить свечку, да так, чтобы стояла точно посередине. Для этого заготовь несколько картонных кружков такого диаметра, чтобы как раз входили в стакан. В середине каждого кружка прорежь круглое отверстие по размеру свечки. Чтобы отверстия были точно в середине, их надо вычерчивать циркулем из того же центра, из которого ты чертил окружность кружка.

К стакану снаружи приклей стеарином гвоздики. К каждой грани гвоздик. И все на одной высоте. Скажем, на 2 см ниже края. Приклеивать удобно, держа стакан горизонтально в левой руке, а правой прикладывая гвоздик, окунутый шляпкой в стеарин, каждый раз к верхней грани. Сосчитай, сколько ты наклеил гвоздиков. Обычно у стакана восемь граней, значит, и гвоздиков будет восемь.

Теперь все готово, опыт можно начинать. Поставь стакан на тарелку, вложи в него картонные кружки, а в них аккуратно вставь кусок свечи такой высоты, чтобы фитиль немного не доходил до края стакана. Зажги свечу и следи, что будет дальше.

Проходит минута, другая… Все тихо. Но вот — щелк! Упал в тарелку первый гвоздик. Щелк, щелк! Второй и третий. Щелк! Четвертый.

Довольно, гаси свечу. Половина гвоздиков осталась на стакане, не успела отклеиться. И смотри, как интересно: все они остались на белых гранях. А от черных отвалились! Почему?

Свеча здесь нагревала стакан не так, как она нагревала длинный гвоздь в предыдущем опыте. Пламя не лизало стекло. Стакан нагревался просто потому, что на него падали лучи от свечки. Таким способом, например, Солнце нагревает нашу планету. И летом, когда солнечных лучей падает больше всего, тебе говорят: одевайся в белое! Не носи черную одежду, в ней жарче!

Белый цвет отражает падающие на него лучи. А черный их поглощает. Потому-то черные грани и нагрелись быстрее, и гвоздики от них отклеились в первую очередь.

Нагреваем снег

Как его нагреть? Да набери в большую кастрюлю и принеси в кухню. В кухне тепло, и снег начнет таять. Налей немного воды на табуретку и поставь кастрюлю в эту лужицу. Через некоторое время попробуй кастрюлю приподнять. Примерзла? Конечно, нет. Ведь в кухне тепло, и снег даже в самой кастрюле тает. Ну, а если помешивать снег в кастрюле палочкой? Хоть скалкой, хоть оглоблей. Все равно не примерзнет.

Но есть все-таки способ приморозить кастрюлю. Брось в нее полную горсть соли. Теперь, если ты хорошо помешаешь да при этом не будешь сдвигать кастрюлю с места, она примерзнет! Снег в кастрюле будет таять по-прежнему, но под ее дном образуется лед.

Не правда ли, таинственный опыт? Но тайна легко разъяснится, если у тебя есть уличный термометр, то есть такой, который показывает не только плюсовые, но и минусовые температуры. Опусти его в кастрюлю так, чтобы шарик касался снега. До прибавления соли термометр стоит на нуле. Так и должно быть, ведь именно температуру тающего снега и льда условились считать нулевой. А вот после прибавления соли термометр покажет уже минусовую температуру. Если, например, к тремстам граммам снега добавить сто граммов соли, смесь будет таять при 18° ниже нуля! Ясно, что при такой температуре чистая вода под кастрюлей замерзнет.

Ты, может быть, видел, как в больших городах в гололед тротуары посыпают солью. На улице мороз, но лед на тротуаре начинает таять! А то еще золой посыпают. В ней тоже содержатся различные соли. И лед превращается в мокрую, грязную кашу.

О бумажной кастрюле, рабе с опахалом и прививках

Из консервной банки сделай треножник, как на нашем рисунке. Из листа плотной бумаги сложи коробку и закрепи ее углы канцелярскими скрепками. Налей в коробку немного воды и поставь ее на треножник, а снизу подставь зажженную свечу. Все это сооружение должно стоять на сковороде.

Пламя свечи лижет дно бумажной кастрюли. Сейчас, сейчас кастрюля прогорит и вода выльется! Но… ничего подобного не происходит. Скоро вода закипает, а бумага все еще целехонька. И только когда вся вода выкипит, бумажная кастрюля вспыхнет и обратится в пепел.

Выходит, что кипящая вода как-то охлаждает бумагу? Да, это так. Если бы у тебя был подходящий термометр, ты бы мог убедиться, что пока вода кипит, ее температура не поднимается выше 100°. Именно температуру кипящей воды условились считать за 100°.

Ну, а бумага при такой температуре еще не загорается Кипящая вода отнимает у нее лишнее тепло.

Если даже вода не кипит, а просто испаряется, это все равно создает холод. Попробуй облить руку теплой водой — ей сразу станет холодно, особенно на ветру.

В Древнем Египте, для того чтобы получить в жару холодную воду, пользовались интересным способом. Воду наливали в пористый сосуд. Вода медленно просачивалась сквозь поры, сосуд «потел». Просочившаяся вода испарялась. А для того чтобы испарение шло сильнее, к сосуду приставляли раба с опахалом. Раб создавал ветер, испарение усиливалось, и вода в сосуде охлаждалась довольно быстро. Сосуд «потел» в кавычках, бедняга раб потел по-настоящему. Но он при этом вырабатывал холод!

Кстати, этот же способ охлаждения используется и в твоем организме. Когда тебе жарко, ты потеешь и за счет испарения пота охлаждаешься.

Ну, а теперь о прививках. Бр-р! При одном этом слове у некоторых, как говорится, дерет мороз по коже. Но когда перед прививкой тебе протирают кожу спиртом или эфиром, она охлаждается в самом прямом и буквальном смысле. Действительно, получается мороз по коже.

Ты знаешь, что температура твоего тела около 37°. Ну, а эфир кипит при температуре всего 35°. Попав на кожу, он закипает и охлаждает ее, точь-в-точь как в нашем опыте кипящая вода охлаждала кастрюлю из бумаги. Спирт кипит при более высокой температуре: 78°. Поэтому он охлаждает кожу не так сильно, как эфир, но все же сильнее, чем вода.

Цепь, о которой ты не знаешь

Может быть, у тебя дома есть холодильник. В нем даже в самую сильную жару серебрится иней и продукты не портятся. Но как удалось этим продуктам добраться свежими до твоего холодильника? Почему они не протухли, не прокисли, не прогоркли еще в пути? А ведь путь был не ближний. Мясо могло приехать из Казахстана, масло — с Украины, замороженный зеленый горошек — из Молдавии, филе трески — из Мурманска, навага — с Тихого океана!

По всей стране, и даже за ее пределами, протянулась огромная цепь. Цепь, о которой ты, вероятно, ничего не знаешь. И называется она «единая холодильная цепь».

Первое звено — заготовительный холодильник. Такие холодильники есть на скотобойнях и на маслозаводах, в сельских районах, где собирают богатый урожай фруктов и овощей, в портах, где выгружают свою добычу рыболовные суда.

Из заготовительного холодильника продукты везут в холодильных вагонах или на холодильных судах. Это второе звено цепи. И оно такое же холодное, как первое.

Третье звено — распределительный холодильник. В его огромных залах громоздятся ящики с замороженной рыбой, с консервированной сайрой, крабами, сардинами, со свежезамороженными овощами и фруктами. Пирамидами сложены бочки со сливочным маслом, гроздьями висят колбасы, окорока, мясные туши. Не килограммами, даже не центнерами измеряется все это богатство. Большой холодильник вмещает десятки тысяч тонн!

Отсюда продукты распределяют по магазинам и столовым. Их везут в холодильных автомобилях. Громоздкие, наглухо закрытые кузова этих машин обшиты листами алюминия, сверкающими, как лед. Эти автомобили — уже четвертое звено холодильной цепи. Из них продукты попадают в пятое звено: в холодильные шкафы столовых и холодильники и охлаждаемые прилавки магазинов.

В столовой холодильная цепь на этом кончается. Но продукты, привезенные в магазин, попадут еще в одно звено, шестое по счету. Это твой домашний холодильник. Последнее звено цепи, протянувшейся на тысячи километров!

Откуда же берется холод во всех холодильниках этой огромной цепи? Кое-где используют смесь битого льда с солью. О ней ты уже знаешь из нашего опыта. Но гораздо чаще применяют холодильные установки вроде той, что спрятана в твоем холодильнике. Их работа скорее напоминает «опыт» с прививками или, вернее, с испарением эфира на коже. В холодильнике тоже есть летучая жидкость, только не эфир, а так называемый фреон. Он бурно испаряется в трубках, окружающих морозильную камеру, он отбирает тепло, и камера покрывается инеем. А пары фреона отсасывает компрессор, спрятанный в нижней части шкафа. Он не виден, а только слышен. Это компрессор тихонько тарахтит внутри холодильника!

Компрессор сжимает пары фреона и выталкивает их в трубки, проложенные уже снаружи, в спинке шкафа. Здесь фреон превращается снова в жидкость и выделяет тепло. Холодильник только внутри шкафа холодит. Снаружи он греет! И для того чтобы холодильник хорошо работал, надо дать ему свободно охлаждаться. Его нельзя ставить вплотную к стене, нельзя закрывать сверху отверстия в спинке, через которые поднимается нагретый воздух.

Жидкий фреон из трубок снова подается внутрь шкафа. И так он может годами обращаться в холодильнике, охлаждая его внутри и обогревая снаружи! В больших холодильниках применяют иногда другие жидкости, например аммиак. Но устройство их примерно такое же.

Искусственный холод не только питает холодильную цепь, не только приготовляет мороженое.

Хочешь летом кататься на коньках? Пожалуйста! Сейчас заморозим каток.

Тебе жарко, душно в знойный летний день? Охладим воздух в комнате.

Нужно проложить шахту или туннель в зыбучей, как кисель, мокрой глине? Заморозим этот кисель.

Нужен холод на заводе, где делают краски, искусственный каучук, взрывчатые вещества, парафин, лучшие сорта стали? Пожалуйста.

Нужен холод в научном институте, где проверяют материалы для ракет и скафандры для космонавтов? В специальной камере создают холод космического пространства! Дикий, неприрученный холод — враг человека. От него защищаются теплой одеждой, отоплением, толстыми стенами домов.

Искусственный холод стал надежным помощником в труде, в науке, в быту. Далеко шагнула техника со времен раба с опахалом!