Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса - Элен Черски

После многих тысяч экспериментов, проведенных несколькими поколениями ученых, можно было с уверенностью заявить, что фиксированное направление потока тепла, наверное, один из фундаментальнейших законов физики. Тепло всегда движется от более теплого объекта к более холодному – и никак иначе. Однако этот фундаментальный закон ничего не говорит о скорости передачи тепла. Когда вы наливаете кипящую воду в керамическую кружку, вы можете держаться за ее ручку как угодно долго, нисколько не опасаясь обжечь пальцы, потому что ручка кружки нагревается очень слабо. Но если в кипящую воду погрузить металлическую ложечку и буквально через несколько секунд ухватиться за нее пальцами, то можно испытать весьма неприятные ощущения. Металл очень хорошо проводит тепло, а керамика – плохо (медленно). Это должно означать, что металлы – более эффективные передатчики колебаний от самых энергичных молекул. Однако и металлы, и керамика состоят из атомов, находящихся в жестко фиксированных позициях и способны вибрировать лишь относительно этих позиций. Чем же объясняется разница в теплопроводности?

Керамическая чашка показывает, что происходит, если вы полагаетесь исключительно на передачу атомами своих колебаний. Как было сказано выше, каждый атом подталкивает соседний атом, тот, в свою очередь, подталкивает соседний с ним атом и т. д. Постепенно энергия передается по всей цепочке атомов. Именно поэтому вы можете держаться за ручку керамической кружки, не опасаясь обжечься. Такой метод передачи энергии очень медленный, и прежде чем тепловая энергия достигнет ручки, значительная ее часть рассеется в воздухе. Керамика, как дерево и пластмассы, считается плохим проводником тепла.

Но в металлической ложечке другой способ передачи тепла. В металле, как и в керамике, атомы в основном зафиксированы в определенном положении. Разница между металлом и керамикой заключается в наличии на внешних орбитах каждого атома металла нескольких электронов, довольно слабо связанных со «своим» атомом. Ниже мы рассмотрим подробнее свойства электронов, а сейчас для нас главное то, что они представляют собой крошечные отрицательно заряженные частицы, которые роятся вокруг каждого атома. В керамике они жестко зафиксированы возле своего атома, а в металле соседние атомы могут свободно обмениваться электронами между собой. Таким образом, несмотря на то что положение самих атомов в пространственной решетке металла строго зафиксировано, эти свободные электроны могут перемещаться по всей структуре. Они образуют облако электронов и чрезвычайно мобильны. И именно они обусловливают высокую теплопроводность металлов. Как только вы нальете кипящую воду в керамическую кружку, молекулы воды передадут часть тепловой энергии ее стенкам. Эта энергия медленно распространится по всей кружке за счет соударений между атомами керамики. Но стоит горячей воде коснуться металлической ложечки, она передает колебания своих молекул не только атомам металла, занимающим фиксированные положения, но и облаку электронов в нем. Электроны способны вибрировать и очень быстро перемещаться в структуре металла. Поэтому, когда вы беретесь пальцами за ложечку, крошечные электроны перемещаются по структуре металла, передавая тепловые колебания гораздо быстрее, чем атомы металла. Именно облако электронов так быстро доставляет тепловую энергию к верхнему краю ложечки, прогревая по ходу дела всю ложечку, от одного конца до другого. Среди металлов самая высокая теплопроводность у меди: она проводит тепло в пять раз быстрее стали. Вот почему сковороды и кастрюли иногда изготавливают с медной основой, но стальными ручками. Когда вы готовите еду, желательно, чтобы тепло как можно быстрее и равномернее распределялось по содержимому сковороды или кастрюли, но при этом как можно позже добралось до ручки.

Удостоверившись в существовании атомов, нам хотелось бы понять, в чем их роль в тех или иных ситуациях, что позволило бы уяснить, что же такое тепловая энергия. Зачастую мы представляем себе тепло как некую жидкость, способную перетекать от одного объекта к другому. Но в действительности это энергия движения, которой делятся между собой объекты, вступая в контакт. Температура – непосредственная мера энергии движения. Мы можем контролировать передачу энергии от одних объектов к другим, используя материалы, как хорошо, так и плохо проводящие тепло. Самым характерным примером управления теплом и холодом в нашем обществе может служить система, заметно выделяющаяся на фоне остальных систем своей чрезвычайно важной ролью в нашей жизни. Люди уделяют очень большое внимание обеспечению комфортных условий существования, которые немыслимы без тепла. Но когда речь идет о пище и лекарственных препаратах, нам приходится заботиться о создании оптимальных условий для их хранения, а важнейшее из них – это холод. Так что завершим эту главу рассмотрением холодильников и морозильных камер.

Если нагреть кусочек сыра, его молекулы активизируются, начнут энергичнее двигаться, в системе появится дополнительная энергия, которая может, помимо прочего, расходоваться на поддержание химических реакций. В случае с сыром это означает, что любые микробы, находящиеся на его поверхности, способны привести в действие свои внутренние «фабрики» и инициировать процесс гниения. Для предотвращения этих процессов нужен холод. При охлаждении пищи движение молекул замедляется и энергия, необходимая для активизации микробов, отсутствует. Таким образом, в холодильнике сыр не будет портиться гораздо дольше, чем при комнатной температуре. С помощью хитроумного механизма, положенного в основу работы холодильника, воздух, заключенный внутри устройства, охлаждается за счет нагрева наружного воздуха[59]. Ограничивая степень изменчивости молекул, холод позволяет нам долгое время хранить пищевые продукты в пригодном к употреблению виде.

Только представьте, на что была бы похожа наша жизнь без холодильника. Разумеется, нам пришлось бы забыть о том, что такое мороженое и холодное пиво. Нам пришлось бы гораздо чаще покупать продукты питания, поскольку при комнатной температуре они не могут храниться долго. Нам пришлось бы жить как можно ближе к ферме, если мы употребляем молочные продукты, сыры или мясо, или как можно ближе к морю или реке, если предпочитаем рыбу. Свежие листья салата мы бы ели только в сезон. Конечно, кое-какие продукты можно было бы квасить, сушить, засаливать или консервировать, но свежий помидор в декабре был бы для нас недостижимой мечтой.