65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё - Кирилл Викторович Половников
Вопрос 22. Какая температура в космосе?
Этот вопрос очень часто приходится слышать, когда рассуждаешь о тепловых процессах. Интерес к нему также подкрепляется большим количеством фантастических фильмов и мультфильмов, в которых показывают, как различные предметы мгновенно замерзают, попав из космического корабля в открытый космос. Но так ли холодно в космосе на самом деле? И сколько там на самом деле градусов?
Для ответа на эти вопросы нам нужно вспомнить, что температура – это средняя кинетическая энергия молекул вещества (см. предыдущую главу). Значит, вопрос о температуре имеет смысл лишь тогда, когда речь идет о каком-то веществе, состоящем из молекул. Но когда мы хотим узнать температуру пустого пространства, то вопрос сразу обессмысливается. Нет никакой температуры у пространства. У воздуха в банке температура есть, и она равна средней кинетической энергии всех молекул воздуха. А если выкачать из этой банки весь воздух, создав там абсолютный вакуум, то никакой температуры у этого вакуума быть не может. Мы даже не можем сказать, что его температура равна нулю, поскольку для этого всё равно потребуется наличие там молекул, кинетическая энергия которых должна равняться нулю. Но в вакууме никаких молекул нет (мы ведь выкачали из банки весь воздух).
Тем не менее ученые рассуждают о температуре Вселенной. Но это совсем другая температура. Она характеризует не степень нагретости космоса (ведь мы не можем нагреть пустое пространство), а частоту реликтового излучения, оставшегося после Большого взрыва. Подробнее об этом излучении мы поговорим в главе «Теория Большого взрыва – что и где вообще взорвалось?» (стр. 332).
Вопрос 23. Что такое давление и как газы вообще могут давить?
Обратимся теперь к следующему понятию термодинамики – давлению. Изначально понятие давления возникает еще в классической механике и никак не связывается с тепловыми процессами. Рассмотрим такой пример: человек, идя в ботинках по рыхлому снегу, постоянно проваливается. Однако если он наденет лыжи, то проваливаться перестанет и сможет легко передвигаться по снежной поверхности.
Почему так происходит? Ведь и в первом, и во втором случае человек воздействует на снег одной и той же силой (своим весом), но эффект этого воздействия разный. А отличие тут в площади, на которую он оказывает давление. Вес тела распределяется по всей площади соприкосновения со снегом. И поскольку площадь подошв ботинок примерно в 20 раз меньше площади поверхности лыж, то на единицу площади ботинка приходится в 20 раз бóльшая сила, чем на единицу площади лыжи. Поэтому ботинки продавливают снег, а лыжи нет. То есть результат действия силы зависит не только от величины этой силы, но и от площади поверхности, на которую эта сила воздействует. А отношение силы к площади поверхности называется давлением.
Именно поэтому острые предметы способны проколоть или порезать даже очень прочные материалы – ведь чем острее предмет (например, нож), тем меньше площадь его соприкосновения с материалом и тем большее давление он будет создавать. Так маленький комар, приложив даже микроскопическое усилие, способен проткнуть своим хоботком[34] человеческую кожу, которая вообще-то представляет собой довольно прочный материал.
Противоположный пример проявления давления мы можем найти в автотехнике. Тяжелые грузовики оснащают большими и широкими колесами, чтобы снизить давление, которое они оказывают на дорожное полотно. Потому что чем больше площадь опоры, тем меньшая сила приходится на единицу этой площади и тем меньше будет давление.
Но это всё примеры механического давления твердых тел. А мы же собирались поговорить про термодинамику. При чем здесь тепловые явления и давление газов? И как газы вообще могут давить? Для ответа на этот вопрос нам нужно опять перейти на микроскопический уровень и вспомнить, что все тела состоят из молекул[35], которые находятся в постоянном хаотическом движении. И газы – не исключение. Только у газов, в отличие от твердых и жидких тел, эти молекулы никак друг с другом не связаны, они летают в разных направлениях, постоянно сталкиваясь друг с другом и со стенками сосуда, в котором находятся. А что происходит при столкновении молекулы со стенкой? Молекула отскакивает, как резиновый мячик, отталкиваясь от стенки. Но если стенка толкает молекулу, то молекула также толкает стенку, но в противоположном направлении (они отталкиваются друг от друга). И теперь представьте, что таких столкновений за одну секунду происходит миллиарды миллиардов (ведь даже в разреженном газе молекул огромное количество). Каждая точка поверхности стенки сосуда подвергается постоянной «бомбардировке», отражает налетающие молекулы и, соответственно, отталкивается в противоположную сторону. Так вот, суммарное действие всех этих молекул, налетающих и отражающихся от стенок сосуда, и создает давление газа.
Получается, что давление газа (как и другая макроскопическая характеристика – температура) тоже определяется микроскопическими характеристиками. Получается, что давление газов будет зависеть:
1) от средней скорости молекул – чем больше скорость, с которой они врезаются в стенку, тем большее давление они будут создавать;
2) от массы молекулы – более тяжелые молекулы будут оказывать большее воздействие при столкновениях;
3) и от концентрации молекул – чем больше молекул содержится в сосуде, тем чаще они будут сталкиваться со стенками и тем большее давление на них оказывать.
Но как нам измерить давление газа (например, воздуха) в обычной жизни? Мы ведь не сможем пересчитать все молекулы и измерить их скорости. Об этом мы поговорим в следующей главе.
Вопрос 24. Что означает миллиметр ртутного столба и при чем тут атмосферное давление?
Когда мы слушаем прогноз погоды, то часто, помимо температуры и влажности воздуха (о том, что это такое, мы тоже чуть позже поговорим), диктор сообщает величину атмосферного давления. Например, говорит, что давление 760 миллиметров ртутного столба, или, сокращенно, 760 мм рт. ст. А задумывались ли вы, что это за ртутный столб и при чем тут атмосферное давление?
А дело было в Италии еще в XVII веке. В те времена инженеры уже умели конструировать водяные насосы для обеспечения работы фонтанов. Но была у них одна проблема – эти насосы не могли поднять воду на высоту более 11 метров. Тогда они обратились к самому известному итальянскому ученому того времени Галилео Галилею, чтобы тот объяснил, почему так происходит, и помог им что-то с этим сделать. Галилей был уже довольно
