Бруно Донат - Физика в играх
Во дворе воздух, нагретый солнцем, поднимается, а на его место притекает холодный воздух из затененных мест.
Движение нагретого воздуха вверх можно легко обнаружить на опыте. Нарисуйте на бумаге кружок диаметром 10 сантиметров. В этом кружке начертите спиральную линию; от одного витка спирали до другого должно быть расстояние примерно 1 сантиметр. Вырежьте эту спираль, и, если вы возьмете ее за центр, она растянется, будто проволочная скалка для сбивания яичных белков.
Рис. 50
Центральный кружок спирали сложите два раза пополам под прямым углом. Тогда образуется маленькое углубление, которым спираль можно надеть на вязальную спицу. Другой конец спицы воткните в маленькую деревянную дощечку (рис. 50) и поставьте этот прибор на карниз печи или на край стула, придвинутого к печке. Спираль тотчас начнет вертеться, так как поднимающийся кверху воздух, скользя по наклонным кольцам спирали, толкает ее.
Получение теплоты без огня. Солнце — источник тепла и света для Земли. Все другие источники теплоты на Земле очень незначительны по сравнению с могучим действием солнечных лучей. Если бы солнце померкло, это было бы смертным приговором всем растениям и животным Земли. В короткое время невообразимые ледяные массы погребли бы под собой все живущее, от полюсов до экватора.
Но и искусственные источники тепла появились на земле под действием солнечных лучей.
Много миллионов лет назад, когда на расплавленном земном шаре стала образовываться твердая кора, сквозь щели этой коры вырывался огонь и громадные вулканические извержения выбрасывали пылающую лаву. Эти извержения сделали возможным существование растительной жизни на Земле. Каждый вулкан, кроме других газов, выделяет громадное количество углекислого газа, а он служит главной пищей для растений. Поэтому в следующий геологический период развития Земли рост растений был таким бурным, как никогда с тех пор. Земля походила тогда на чудовищную оранжерею. Грозовые облака окутывали Землю со всех сторон и орошали ее страшными ливнями. Солнечные лучи с трудом пробивались сквозь облака и с трудом освещали землю. Но температура Земли была все же очень высокой и воздух насыщен парами. Под влиянием теплоты и влажности травы разрастались в огромные деревья, которые, тесня друг друга, образовывали сплошные, непроходимые леса. Великаны-растения гибли, падали на землю и обращались в прекрасную почву для новых, еще больших гигантов.
В ту эпоху на Земле происходили страшные землетрясения. Большие площади земли заливались наводнениями, и часто случалось, что эти роскошные леса погребались под землей или затоплялись водой. Их постепенно заносило песком или илом, и они оказались погребенными на многие миллионы лет.
Химические процессы, происходившие под давлением образовавшихся над похороненными растениями пластов земли, превратили древесину в то блестящее черное вещество, которое извлекают теперь из недр земли, — каменный уголь. Когда мы топим печи углем, когда уголь нагревает котлы паровых машин, мы извлекаем из него ту теплоту, которую солнце затратило когда-то на первобытные леса.
С течением времени кора Земли становилась постепенно все толще и толще, но и сейчас еще на большой глубине земля сильно нагрета. Это доказывают извержения вулканов, горячие источники и высокие температуры глубоких шахт. Чем глубже забирается человек в Землю, тем теплее становится в шахте.
Все искусственные источники теплоты, конечно, ничтожны по сравнению с запасами тепла внутри Земли. Но без наших искусственных источников мы обойтись не можем.
Добыть теплоту можно различными способами. Одним из древнейших способов было трение. Быстро двигая один кусок дерева по другому, доисторические люди добывали огонь еще двадцать — тридцать тысяч лет назад. Можно получить огонь, ударяя куском стали о кремень. Это огниво. Когда мы зажигаем спичку, она вспыхивает тоже от тепла, возникающего вследствие трения головки спички о коробку. Мы можем поэтому сказать, что механическая работа обращается в теплоту.
Познакомимся поближе с появлением искры при высекании ее огнивом. Оказывается, что искра огнива — это маленький кусочек стали, раскаленный до плавления. В этом легко убедиться.
Положите под искры огнива листок бумаги. Простым глазом трудно разобрать, что за серая пыль оказалась на бумаге. Но, взяв лупу, вы увидите, что бумага усеяна маленькими серо-черными шариками, на поверхности которых ясно видны следы плавления. Вы поразитесь, узнав, что для плавления стали требуется температура 1400° по Цельсию. Но ведь вы сами видели, что при одном ударе стали о кремень в это короткое время была достигнута такая высокая температура.
Каждому понятно, что нагревание от 15° (температура воздуха в комнате) до 1400° не было подготовлено заранее. Только в момент удара, который продолжается приблизительно у долю секунды, температура должна была повыситься от 15° до 1400°. Это значит, что повышение температуры на каждый градус происходило в течение 0,00009 секунды.
Так мы проходим часто мимо поразительных явлений только потому, что привычка видеть их часто мешает нам замечать их.
А что, например, происходит в момент ружейного выстрела? Легкий нажим на спуск заставляет курок, или ударник, воспламенить пороховую массу. Собственно, ударом курка мы не могли бы зажечь порох, но от удара воспламеняется ударная смесь, а через нее и порох (смесь селитры, серы и угля). Одна из мельчайших частиц угля, раскаленная добела, передает свой жар ближайшей частице серы и селитры, и от этого в огромном количестве выделяются кислород и азот. Частицы кислорода соединяются с углеродом и образуют углекислый газ. Другая часть соединяется с серой и образует сернистый газ, который осаждается в ружейном стволе и сильно разъедает его.
Такой же процесс совершается со всеми другими зернами пороха. Развивается масса горячих газов, образование которых было вызвано теплотой, и эта масса газов с огромной силой выталкивает пулю из ствола.
Все это происходит в одно мгновение, в какую-нибудь сотую долю секунды, так что при помощи наших грубых чувств мы не в состоянии даже уловить промежуток между ударом курка и блеском ружейного выстрела.
Нагревание химическими способами. Вы знаете, что некоторые вещества соединяются с другими химически, а некоторые не обладают этим свойством. При одних химических соединениях вещества нагреваются, при других они, напротив, охлаждаются; химики называют эту теплоту теплотой соединения.
Вам известно, какой жар вызывается гашением извести. Если вы положите яйцо в нетолченую сухую негашеную известь и нальете на нее воды, яйцо очень быстро сварится вкрутую. Сухая известь вытягивает из воздуха так много сырости, что на ее поверхности может воспламениться кусочек фосфора или серы, можно растопить воск или соль. Если вы смешаете одну часть холодной воды с четырьмя частями серной кислоты, вода дойдет до температуры кипения.
Этот опыт (рис. 51) требует большой осторожности. Запомните непременно, что никогда нельзя лить воду в кислоту. Обязательно надо вливать кислоту в воду и делать это очень осторожно, непрерывно размешивая воду стеклянной палочкой.
Рис. 51
Если несколько капель воды попадают в кислоту, вода так быстро нагревается и испаряется, что происходит взрыв, разбрызгивающий кислоту. Если капли кислоты попадут на руки или на лицо, получатся очень болезненные раны. Кислота проедает также платье, если только не вывести сейчас же пятно крепким нашатырным спиртом. Свежие пятна от кислоты на платье сейчас же видны. Они красноватого цвета. Если вы неосторожно капнете кислоту на материю, сейчас же облейте ее нашатырным спиртом. При работе с кислотой нашатырный спирт всегда надо иметь под рукой.
Для нашего опыта с нагреванием воды толстые стаканы не годятся — они быстро лопаются. Возьмите специальные, так называемые химические стаканы. Лучше поставьте стаканы не просто на стол, а подложите под них сложенную в несколько раз тряпочку.
Чтобы вскипятить воду, налейте ее в пробирку и пользуйтесь пробиркой вместо палочки, когда будете размешивать кислоту. Вода в пробирке должна закипеть примерно через полминуты, а если хотите получить эффект очень быстро, налейте в пробирку не воду, а спирт; он закипает гораздо скорее, потому что точка кипения спирта намного ниже, чем воды.
Мы приводим несколько рецептов для получения теплоты без огня. Когда будете пользоваться рецептами, помните общие правила. При растворении твердых веществ воды надо подливать столько, чтобы только вполне растворить их без осадка. А кислоту вливать в раствор надо непрерывно, осторожно мешая все время палочкой. Вливать кислоту сразу нельзя, она должна литься по каплям.
