Физика без формул

В начале прошлого века английский ботаник Роберт Броун был очень удивлен, взглянул в обычный микроскоп на цветочную пыльцу, насыпанную в воду. Частички пыльцы словно плясали в воде. Хотя сами они необычайно малы, их размеры около тысячных долей миллиметра, говорить о них как о самых мельчайших частицах вещества еще нельзя. Но если представить, что «пляска» пыльцы вызывается ударами еще более малых частиц молекул воды, то ее поведение вполне объяснимо.

Может быть, вы видели, как во время концертов со сцены бросают в зал большие надувные шары. Зрители стремятся ударить по шару, но никто не может предсказать, куда в каждый момент он направится. В результате мы наблюдаем его беспорядочное, или, как еще говорят, хаотическое движение по всему залу. Понятно, что оно определяется такими же беспорядочными толчками зрителей. Замените теперь их на молекулы, а шар на частичку пыльцы, и вот у вас модель движения молекулы.

Итак, внутри вещества его мельчайшие крупинки-молекулы непрерывно, хотя и беспорядочно, движутся. Это движение будет тем интенсивнее, чем сильнее нагрето вещество, поэтому его называют тепловым. Такая связь позволила в дальнейшем объяснить, что такое температура.

Три царства состояний вещества

В каких состояниях может быть вещество? Ну, тут достаточно его «пощупать». Это пусть очень простой, но тоже опыт. Каковы же результаты? Мы говорим: все тела могут быть в твердом, жидком и газообразном состояниях. Их еще называют агрегатными. Интересно, что одно вещество может бывать в каждом из этих состояний, причем, случается, и одновременно.

Ну, вот вода. Если вы вытащите из морозильника кусочек льда и опустите в стакан с содой, то сразу обнаружите все 3 состояния одного и того же вещества. Лед – это «твердая», замерзшая вода. Плавает он в воде жидкой. А над стаканом вода находится в невидимом, газообразном состоянии, это ее пары. Выявить пары нетрудно: на холодном зеркальце, поднесенном к стакану, вы скоро заметите туманный налет, состоящий из крохотных капелек. Это не что иное, как сгустившиеся, или сконденсированные из воздуха водяные пары.

Чем отличаются эти состояния вещества друг от друга? Обратимся за объяснениями к молекулярно-кинетической теории. Она скажет нам, что одни и те же «по сорту» молекулы, например, воды, просто по-разному взаимодействуют между собой.

В твердом теле, во льду, они очень плотно «упакованы», остро «ощущают» присутствие соседей и в своих движениях сильно ограничены. Поэтому и двигаться они могут, практически не сходя с места, то есть колеблются. Вот почему твердое тело хорошо сохраняет свою форму и объем.

В жидкостях молекулы чувствуют себя свободнее. Помимо колебаний, они еще очень часто перескакивают с места на место. Уплотнить их практически нельзя, а вот перемешать легко. Из-за этого жидкости текут и принимают форму сосуда, в который мы их нальем.

А вот в газах связи между молекулами становятся настолько слабыми, что они теперь могут носиться с огромными (сотни метров в секунду) скоростями и на больших расстояниях друг от друга. Поэтому газы и занимают весь предоставленный им объем, хотя могут быть легко сжаты.

Как проникают вещества друг в друга?

Поставьте такой эксперимент. В темную комнату, где вы сидите спиной к двери и заткнув уши, попросите войти по очереди двух человек. Пусть это будут ваши приятели мальчик и девочка. Одно условие: девочка должна быть надушена. Через несколько минут после прихода каждого вы угадаете, кто именно вошел.

Ну, и что же тут особенного, спросите вы? Конечно, девочку «выдали» духи. Но вот вопрос: как они добрались до вашего носа? Пожалуй, зная о молекулярном строении вещества, и тут ответить нетрудно. Молекулы духов, вылетая в воздух, умудряются очень быстро проскочить между его молекулами и распространиться по всей комнате. Разреженность газов и большие скорости молекул обеспечивают это явление, называемое диффузией.

А может ли она наблюдаться в жидкостях? Почему бы и нет, ведь в них молекулы, хотя расположены и плотно, но весьма подвижны. Вот, скажем, осьминог, пытаясь удрать от преследователя, выпускает в воду облако чернильной жидкости. Оно очень быстро растет, создавая будто дымовую завесу. А ведь оно как раз пример диффузии, то есть взаимного проникновения жидкостей друг в друга.

Удивительно, но диффузия может происходить и в твердых телах. Хотя намного медленнее, чем в жидкостях и газах. Ее можно, правда, убыстрить, повышая температуру.

Именно диффузия обеспечивает соединение металлов при пайке или сварке. Однако и при обычной температуре тепловое движение молекул приводит к их перемешиванию. Но длительность этого процесса не позволяла его обнаружить, и такую диффузию впервые наблюдали лишь в конце прошлого века.

Отчего «разбухают» тела?

Наверное, вам чуть ли не с детского сада известно, что при нагревании тела расширяются, а при охлаждении сжимаются. Эту способность тел менять свои размеры в зависимости от температуры люди научились использовать или учитывать давно. Например, железную шину насаживали на колесо телеги, когда она была раскалена. Шина, остывая, туго стягивала колесо. Или посмотрите на колею железной дороги. Между отдельными отрезками рельсов оставляют промежутки для их возможного теплового расширения.

Это явление оказалось очень полезным при измерении температуры. Если к концу металлической пластинки приделать стрелку, то она, меняя свое положение при нагреве и охлаждении пластинки, укажет, какова ее температура. Может быть, в духовках ваших кухонных плит есть термометр, сделанный из металлических пружин? Если он вынимается, рассмотрите, как он устроен.

Более удобными для этой цели оказались жидкости. Скажем, в медицинских и комнатных термометрах применяют подкрашенный спирт или ртуть. Расширяясь при нагревании, они поднимаются вверх по узким трубочкам, вдоль которых наносят деления температурной шкалы.

Есть и газовые термометры, использующие тот же эффект. Но во всех случаях расширения тел мы можем обратиться за помощью к молекулярной теории, чтобы разобраться с этим явлением. И здесь мы получим почти очевидный ответ. С ростом температуры молекулы становятся более подвижными, и им требуется больше места. Расстояние между молекулами растет, а мы это замечаем как увеличение общего объема тела.

Представьте себе танцевальный зал. Сколько в нем может уместиться человек? Если запускать их в зал по одному и плотно приставлять друг к другу, то туда набьется людей, как «сельдей в бочке». Но если вы попросите их потанцевать, в такой тесноте вряд ли что-нибудь выйдет. Чем зажигательнее танец, тем меньше народу останется в зале – остальным придется покинуть помещение. Произошло как бы «тепловое расширение» танцующей публики, и часть ее вытеснилась наружу.

Как плавятся металлы и замерзает вода?

Что происходит, когда плавится металл? Первое, о чем мы можем сказать, очень наглядно. Был твердый кусочек, а превратился в жидкость. Но ведь это – одно и то же вещество, скажем, олово. Его, кстати, очень легко «растопить», нагревая в железной ложке или паяльником. Что же все-таки привело к такой внешней перемене в металле?