Страница 16 из 67
Корабль в песне идет по Красному морю. Здесь сорокаградусная жара – не редкость. Так что в кочегарке у котлов было гораздо жарче: 45 градусов по Реомюру – это 56 градусов Цельсия!
Температурная шкала, которую мы считаем привычной, предложена в 1742 году шведским ученым Андерсом Цельсием (Anders Celsius; 1701–1744). Промежуток между точкой плавления льда и точкой кипения воды он разделил на 100 градусов. При этом сначала температура кипения воды была обозначена как 0 °C, а температура таяния льда как 100 °C. Но считать увеличение температуры в сторону охлаждения оказалось не совсем привычно, и довольно скоро ученые приняли решение поменять значения опорных температур местами.
Температурная шкала Цельсия была простой и удобной, благодаря чему быстро завоевала неанглоязычный мир; в англоязычных странах по-прежнему измеряли температуру градусами Фаренгейта. Правда, и в шкале Цельсия было определенное неудобство. Нулевую точку шведский ученый выбрал достаточно произвольно. При измерении низких температур приходилось к числу градусов добавлять минус. Или попросту говорить «столько-то градусов мороза». В некотором смысле, более прав был Фаренгейт, выбирая началом для своей шкалы температуру замерзания ртути: 39 градусов ниже точки замерзания воды. Такие температуры казались европейскому ученому просто нигде в мире не существующими. Абсолютным нулем!
Как оказалось, абсолютный нуль существует, но при более низких температурах. Это открытие принадлежит гениальному английскому физику Уильяму (Вильяму) Томсону, лорду Кельвину (William Thomson, lord Kelvin; 1824–1907). Его отец, Джеймс Томсон (1776–1849), был известным математиком. Сам же Уильям в 22 года занял кафедру теоретической физики в университете в Глазго. Он был талантливым математиком и разносторонним физиком, занимаясь самыми разными вопросами термодинамики и электричества, и даже геологии. Среди прочего, он участвовал в одном из крупных научно-технических проектов середины XIX века – прокладке трансатлантического кабеля. Дело в том, что по уже проложенному кабелю телеграфные сообщения проходили с сильными искажениями, причиной которых была большая длина провода. Томсон решил задачу передачи импульсов вдоль длинного проводника. В результате стала возможной трансатлантическая телеграфия.
К идее абсолютного нуля Уильям Томсон пришел на основе экспериментов Джеймса Джоуля. Обобщая их, он сформулировал второе начало термодинамики и показал, что температура тела определяется его внутренней энергией, суммарной энергией движения молекул. Чем меньше скорость движения молекул, тем ниже температура тела. Абсолютный нуль температуры – это когда все молекулы тела остановились. Расчеты показали, что это происходит при температуре –273, 15 °C. Ниже температуры просто быть уже не может. Собственно говоря, и абсолютный нуль температуры достижим только теоретически.
Температурная шкала, за начало которой принят абсолютный нуль, называется шкалой Кельвина, а один градус этой шкалы, равный по величине градусу Цельсия, – градусом Кельвина, или просто Кельвином. Эта единица температуры названа в честь Уильяма Томсона, которому за заслуги в развитии британской науки в 1892 году королева Виктория пожаловала звание лорда Кельвина. Кельвин – это не родовое поместье, а название реки, протекающей через территорию университета Глазго, ставшего родным для Уильяма Томсона.
С низкими температурами связано имя еще одного шотландского физика и химика, Джеймса Дьюара (James Dewar; 1842–1923). Сосудом Дьюара или попросту дьюаром называют емкости для хранения и транспортировки сжиженных газов. Устройство дьюара достаточно простое: в металлический корпус помещена стеклянная колба с двойными стенками. Воздух между стенками откачан, а поскольку вакуум – лучший теплоизолятор, находящаяся внутри холодная жидкость не нагревается, а горячая – не охлаждается. Эта конструкция напоминает что-то знакомое… Обычный домашний термос! Вот именно.
Джеймс Дьюар в 1890-х годах занимался экспериментами по сжижению газов. В 1891 году он научился получать жидкий кислород, в 1898 году – жидкий водород. Еще через год Дьюар получил водород твердый. В 1892 году он придумал специальный сосуд для хранения сжиженных газов. А в 1904 году немецкая компания «Термос» начала массовое производство таких емкостей, и не только для научных целей, но и для мирного домашнего использования: чтобы кофе во время лыжной прогулки не остыл.
Ученые головы
Мой сын долгое время воображал, что вольт – это злобный и кусачий гномик, сидящий в розетке. На одном из своих портретов итальянский физик и физиолог Алессандро Вольта (Alessandro Volta; 1745–1827) – точь-в-точь такой сердитый гном. Хотя, по отзывам современников, был он высок, красив лицом и любезен с собеседниками. Вообще образ гениального, но бедного, а потому озлобленного ученого – это не про него. Про него – пословица «Родился с золотой ложкой во рту». Ну или с золотой монетой. Ведь Алессандро был четвертым ребенком в знатной и богатой семье.
Сперва окружающие считали, что мальчуган отстает в умственном развитии. Только в четырехлетнем возрасте Алессандро заговорил, сказал свое первое слово, и слово это было: «Нет». Потом он довольно быстро догнал и перегнал своих сверстников – в школе ордена иезуитов в родном городке Комо на севере Италии считался одним из первых. Иезуитские школы славились высоким уровнем образования не только в области гуманитарных дисциплин, но и в естественных науках. Вполне возможно, что именно здесь Алессандро Вольта увлекся естествознанием и модными тогда опытами с электричеством. Свой первый научный труд, в котором предлагалась конструкция усовершенствованной машины для производства электричества, Вольта опубликовал в 26 лет. Предложенная им электрофорная машина позволяла накапливать большие заряды электричества и демонстрировать затем роскошные искусственные молнии – искровые разряды. В те же годы он придумал еще один полезный прибор – электроскоп, позволявший не только определять наличие электрического заряда, но и степень заряженности предмета. Сейчас мы определяем это с помощью вольтметра, но в конце XVIII века вольтметра еще не было, зато был Вольта. С 1774 по 1779 год А. Вольта преподавал физику в гимназии города Комо. В это время он обнаружил, что так называемый «болотный газ» – это горючий газ метан, и даже сконструировал метановый пистолет, в котором вместо пороха взрывался и выталкивал пулю метан, воспламененный электрической искрой. В 1779 году Вольта стал профессором кафедры физики университета в Павии. В этом университете якобы учился еще Христофор Колумб.
Главное свое открытие Вольта сделал в 1800 году в ходе проверки опытов итальянского физиолога Луиджи Гальвани (Luigi Galvani; 1737–1798). Тот обнаружил, что лапка препарированной лягушки, подвешенная на медном крючке, сокращалась, когда ее касались стальным скальпелем. Гальвани посчитал, что он открыл особый вид электричества, вырабатываемый живыми организмами. Для этого электричества даже название было придумано: гальваническое. Из-за этого электричества, не существующего на самом деле, мы до сих пор называем гальванометром прибор, указывающий наличие тока в цепи, а гальванопластикой – электрохимический процесс осаждения металла на неметаллических поверхностях. В ходе своих экспериментов Вольта понял, что электричество вырабатывалось не в плоти бедной лягушки, а в результате соприкосновения во влажной среде двух разнородных металлов. Лапка дергалась, только отмечая прохождение через нее возникшего при этом тока.
Для проверки своей догадки о том, что два разнородных металла, будучи соединенными, являются источниками электричества, Вольте снова пришлось засунуть в рот золотую монету, с которой он, как говорили, родился. Монету он положил на середину языка, кончиком же языка коснулся оловянной пластинки, которую с монетой соединяла проволочка. На языке стало кисло. Такой же фокус почти все мы проделывали в детстве, касаясь языком полюсов заряженной электрической батарейки. Во рту становилось кисло от проходящего между полюсами электрического тока. После ряда таких «кисленьких» опытов Вольта установил, какие пары металлов дают большую электродвижущую силу, и придумал способ их соединения в батареи. Батареи состояли из металлических кружочков, медных и цинковых, переложенных кружочками из ткани, пропитанными раствором соли или же соляной кислотой. Чем больше кружочков, тем большее напряжение давала батарея. Батареи-рекордистки были изрядной высоты. Французы назвали их вольтовыми столбами. Батареи Вольты стали первым более или менее стабильным источником электрической энергии, основой для дальнейшего изучения свойств электричества.