Главу о теплоте начнем с поучительной истории о том, как во Франции выпрямили покосившуюся стену большого здания. История эта – с легкой руки Л.H. Толстого[18] – давно уже попала во многие школьные книги для обучения чтению. Там она однако рассказывалась чересчур кратко. В полной передаче она гораздо интереснее.
Далее приводится этот рассказ в том виде, в каком я нашел его в одной старинной книге:
«Фундамент здания Музея искусств и ремесел в Париже был испорчен до такой степени, что стены главного зала постоянно оседали, выдавались наружу и даже угрожали падением. Наполеон I приказал произвести по этому предмету исследование и представить смету издержек на поправку здания. Комиссия, назначенная для этой цели, после тщательных изысканий решила, что необходимо сломать стены, заложить новый фундамент на 10 футов глубже и вывести на нем новые стены. Расходы на все это должны были доходить до 10 млн. франков. Наполеон нашел, что сумма слишком велика, и дело остановилось.
«Через год опять заговорили об этом и представили Наполеону всю опасность, какой могли подвергнуться и жители, и посетители здания, если его оставить без исправлений. Наполеон приказал собрать новую комиссию. Комиссия произвела обширные работы, исследовала грунт и пришла к заключению, что нет надобности ломать стены, а достаточно вырыть под ними 10 колодцев около 40 футов глубиною и, достигнув скалистого грунта, подвести под стены толстые гранитные столбы; на этих столбах надо утвердить подъемные винты, с помощью их поднять стены и таким образом сохранить здание от разрушения. Что же касается издержек, то работа обойдется в 9 850 тыс. франков. Наполеон не утвердил предложения второй комиссии, и дело осталось по-прежнему нерешенным.
«Тогда к Наполеону явился инженер Молар, способный и изобретательный молодой человек, сообщивший ему, что он осматривал повреждения здания и считает возможным произвести все поправки на десятую часть тех сумм, которые требовали обе комиссии. Требуемая Моларом сумма была ему выдана, и он немедленно приступил к работе.
«Он начал с того, что в стенах строения на довольно значительной высоте приказал просверлить одно над другим два ряда отверстий величиною в руку. С любопытством ожидали, что из этого будет; но когда, спустя несколько недель, из отверстий показались концы толстых железных болтов с крупною винтовою нарезкою, то все, кто ждал от Моляра успеха, потеряли всякую надежду, а члены комиссий, начинавшие было сомневаться в правильности своих решений, ободрились. Стянуть дом болтами казалось слишком безрассудно. Откуда взять силу, чтобы навинтить гайки, преодолевая вес тяжелых стен? Между тем к каждому болту был прикреплен якорь о четырех лапах; якоря эти могли выдержать значительное давление. Под нижним рядом болтов, проходивших через все здание, были устроены четырехугольные очаги из листового железа, которые привешивались к болтам. Для чего они – никто не понимал.
«Однажды утром толпа любопытных заметила рабочих, которые, стоя на легких подмостках, привешенных к выступающим концам болтов, завинчивали гайки. Через несколько времени работа прекратилась, и зрители разошлись с убеждением, что все предприятие имело еще менее прочное основание, нежели исправляемое здание.
«На следующее утро с удивлением заметили, что гайки всего нижнего ряда болтов ослабели и отстали от стен на целый дюйм; рабочие опять занялись завинчиванием гаек. Это возбудило всеобщее любопытство. На третье утро ослабели все гайки верхнего ряда болтов, а когда их завинчивали, можно было заметить, как ослабевали гайки нижнего ряда. Подобная работа продолжалась около 14 дней; по истечении их стены исправляемого здания примкнули к стенам других строений; все убедились, что они уже не косы. Насмешливые лица членов обеих комиссий сделались очень серьезны, когда они узнали, что помощью неизвестного, но, по-видимому, чрезвычайно простого средства достигнуто было то, что они считали почти невозможным.
«Дело было в следующем. Молар пропустил через стены два ряда болтов, а снаружи прижал к ним якоря посредством прочных гаек. Когда это было исполнено, то на очагах под нижним рядом болтов был разведен огонь; болты нагрелись и удлинились. В этом положении болты выступили из стен наружу более, чем прежде, а следовательно, гайки могли быть снова навинчены вплотную. Это довинчивание гаек и составило работу первого утра. Когда погасили огонь, болты охладились и укоротились настолько, насколько они удлинились при нагревании; а так как это движение преодолевает большое сопротивление, то стены строения сблизились на столько же, на сколько стянулись болты. Если бы болты были тоньше, они должны были бы разорваться, потому что при охлаждении не могут сохранять той длины, которой достигли благодаря нагреванию. Обратно: если защемить железный болт между двумя стенами и в этом положении нагреть его, то он или раздвинет и опрокинет стены, или же согнется сам.
Рис. 78
«Железные болты, употребленные Мол аром, были достаточно прочны: они не разорвались, но подтянули стены. По этой-то причине верхний ряд болтов выдался из стен; гайки уже неплотно прилегали к ним, и работа второго утра состояла в том, чтобы снова довинтить их. После этого нижний ряд болтов был нагрет вторично. Во время его расширения верхний ряд удерживал стены (иначе они пришли бы в первоначальное положение), нижние же болты, сделавшись через нагревание длиннее, дали возможность навинтить гайки еще более. При остывании они сблизили стены еще на один дюйм и тем опять ослабили верхний ряд болтов.
«Такая работа продолжалась часа два каждое утро, до тех пор, пока цель была достигнута – стены подтянуты; потом исправили и фундамент. На всю работу употреблено было менее половины выданной Мол ару суммы. Остальные пол-миллиона Наполеон подарил искусному инженеру и кроме того наградил орденом.
«Один ряд болтов был оставлен в стенах для воспоминания о способе поправки здания. Этот ряд существует и теперь и служит доказательством того, каких счастливых результатов можно ожидать от разумного применения законов природы».
Часто говорят: «снег греет землю». Верно ли это? Ведь снег – тот же лед, только в размельченном виде. Как же может лед греть?
Послушаем сначала, что говорит опыт. Зароем в землю на небольшую глубину два термометра: один – под почву, покрытую снегом, другой – под почву обнаженную. Мы убедимся, что тот градусник, который под снегом, покажет более высокую температуру. Разница в морозные дни бывает очень заметна. Например, при опытах, которые делались в парке Лесной академии (Санкт-Петербург), градусник, зарытый на 40 см в землю под снегом такой же толщины, показывал на 12° выше, чем градусник под землей без снега. А когда градусники помещались у самой поверхности земли, разница доходила в сильные морозы до 32°. Подобные
же опыты делались и под Москвой; здесь в 21-градус-ный мороз градусник под снегом показывал всего на пол градуса ниже нуля.
Значит, – как ни странно, – снег действительно греет землю. Нужно ли говорить, как важно это для земледелия? Ведь иначе семена озимого хлеба, не защищенные от морозов снежным покровом, погибли бы. Земледелец страшится бесснежной зимы и не сеет озимей в тех местах, где снега выпадает слишком мало. В Чите, например, где из-за недостатка снега нередко всю зиму ездят на колесах, сеют только ячмень, яровую рожь и пшеницу. В Восточной Сибири из-за малоснежья не разводят фруктовых деревьев, так как корни их вымерзли бы. А в других частях Сибири, где морозы не слабее, зато снега больше, сеют озими и разводят фруктовые сады.
От чего же зависит греющее действие снега? Не надо думать, что снег придает почве теплоту, как пламя примуса придает тепло воде или печка – воздуху. Снег не может сообщить другим вещам того тепла, которого в нем самом нет. Он греет почву лишь в том смысле, в каком шуба или одеяло греют наше тело. Если вы закутаете в шубу куклу, она нисколько не согреется. Лучший способ предохранить лед от таяния – завернуть его в шубу. Вы понимаете, в чем тут дело: шуба греет нас потому, что в нашем теле имеется теплота, которой шуба мешает уходить наружу. Снег тоже мешает теплоте, которая запасена почвой, уходить из нее. Когда поздней осенью почва поступает под снег, она еще заключает в себе немало теплоты из той, которая внесена была в нее лучами летнего солнца. Снег не дает этой теплоте так быстро уходить, как из почвы обнаженной; оттого и наблюдается заметная разница температур, которая дает нам право говорить, что снег «греет» землю.
Что однако общего между снегом и шубой? Почему два столь разнородных материала обладают одинаковым свойством – слабо пропускать сквозь себя теплоту? Чтобы хорошенько в этом разобраться, надо знать, чему обязаны своим греющим действием наша одежда и стены наших домов. Многим покажется невероятным, что греющее действие одежды и стен жилища зависит не от их плотного материала, а от содержащегося в них… воздуха! Между тем это неоспоримо установленный факт.
Измерениями доказано, что твердое вещество шерсти проводит теплоту в 9 раз лучше, чем воздух, шелка – в 17 раз, льна и хлопка – в 27 раз. Это значит, что, если бы наша одежда была сильно спрессована и воздух из ее пор выгнан, она быстро передавала бы теплоту вашего тела наружу и вам было бы в ней холодно. В действительности же все ткани и материалы, из которых мы шьем одежду, заключают в своих порах очень много воздуха, – по объему гораздо больше, чем плотного вещества. Бумажная ткань состоит из воздуха наполовину, а шерсть и мех – на 90 %. Человек в шерстяной одежде или в мехах в сущности одет в воздух!
То же можно сказать и о стенах домов. Дерево содержит в своих порах воздух в количестве, составляющем 60–70 % объема древесины. В кирпиче меньше воздуха – всего 20 %; оттого стены кирпичных домов приходится делать значительно толще деревянных; ведь греющее их действие зависит только от воздуха, а не от древесины или глины. Что воздух чрезвычайно медленно проводит теплоту и потому отлично ограждает вещи от охлаждения, известно, вероятно, всем. Двойные рамы «греют» потому, что между ними замкнут слой воздуха.
Снег сходен с шерстью, мехом, деревом тем, что заключает в своих порах очень много воздуха. Из 10 л снега получается после таяния всего 1, много – 2 л воды; остальные 8 или 9 л объема снега составляет воздух в его порах. Значит, в снеге 80–90 % воздуха. Чем больше воздуха в снеге, т. е. чем он рыхлее, тем хуже проводит он теплоту и тем, следовательно, лучше предохраняет от охлаждения. Зависимость здесь такая: вдвое менее плотный снег проводит теплоту вчетверо хуже; втрое менее плотный – в 9 раз хуже и т. д.
Свежевыпавший снег, состоящий на 9/10 из воздуха, в 6 раз лучше предохраняет от охлаждения, чем такой же толщины слой кирпичной кладки; в 2 раза лучше, чем сосновая стена, и даже немного лучше, чем войлок. Вата отепляет всего вдвое лучше такого снега. Снег слежавшийся, вдвое более плотный, чем предыдущий, отепляет в 4 раза хуже свежевыпавшего, но все еще в 1 1/2 раза лучше кирпичной кладки.
– Однако, – скажет иной читатель, – если все дело в воздухе, то ведь он всегда прилегает к почве, всегда окружает наше тело, даже и тогда, когда нет снега, нет одежды. Почему же свободный воздух не греет, а такой же воздух, замкнутый в порах снега и одежды, греет?
Во-первых, и свободный воздух до некоторой степени греет, т. е. предохраняет от охлаждения. Почему нам тепло в натопленной комнате? Оттого, думаете, что теплота нагретого воздуха переходит в наше тело? Нет, такого перехода быть не может (разве лишь в бане), потому что наше тело теплее воздуха в комнате, а теплота переходит только от более нагретого тела к менее нагретому. В действительности теплый воздух в натопленной комнате, как плохой проводник, лишь замедляет отток теплоты из нашего тела; это и ощущается нами как согревание.
Но свободный воздух «греет» слабо, и вот почему: нагретые телом слои воздуха, более легкие, оттесняются вверх более тяжелыми, ненагретыми, и, непрерывно сменяясь, уносят теплоту нашего тела. Чтобы сделать воздух дурным проводником тепла, надо ослабить его подвижность, лишить его возможности перемешиваться. В таком состоянии и находится воздух в порах одежды и снега.
Итак, вот в чем состоит греющее действие снега на покрытую им землю: он не повышает температуры почвы, а только замедляет остывание земли, нагретой лучами летнего солнца.
Где надо устраивать форточку: вверху окна или внизу?
Рис. 79. Откуда воздух притекает, когда печь топится при открытой форточке?
Существуют квартиры, где форточки устроены внизу. Это, конечно, удобно: для их открывания и закрывания не приходится становиться на стул. Однако низкие форточки плохо выполняют свое назначение – вентилировать комнату. В самом деле: отчего происходит обмен наружного и комнатного воздуха через форточку? Оттого, что наружный воздух холоднее внутреннего и как более тяжелый вытесняет его. Но он заливает только ту часть помещения, которая лежит ниже форточки. Весь же тот воздух, который находится в комнате выше уровня форточки, не участвует в обмене, – он не вентилируется.
Лучший способ проветривать комнату зимою состоит в том, чтобы в часы, когда топится печь, открывать форточку. Холодный и свежий наружный воздух будет тогда вытеснять теплый, более легкий воздух комнаты в печку, откуда через дымовую трубу комнатный воздух станет выходить наружу.
Не следует думать однако, что то же самое будет происходить и при закрытой форточке, так как наружный воздух станет тогда проникать в комнату через щели в стенах. Он, правда, просачивается в комнату, но не в достаточном количестве, чтобы поддерживать горение в печи. Поэтому, помимо воздуха с улицы, в комнату проникает также воздух через щели в полу и в квартирных перегородках – воздух зачастую из таких помещений, где он не может быть ни чистым, ни свежим.
Разница между притоком воздуха в том и в другом случаях наглядно показана на наших рисунках; течения воздуха обозначены на них стрелками (рис. 79).
Сейчас мы упоминали о том, что теплый воздух вытесняется вверх.
Вот простой способ убедиться в этом.
Из почтовой карточки или из листа плотной бумаги вырежьте кружок величиной с отверстие стакана или немного больше. Прорежьте затем его ножницами по спиральной линии в виде свернувшейся змейки, кончик хвоста змеи наложите, – слегка надавив его сначала, чтобы сделать маленькую ямку в бумаге, – на острие вязальной спицы, воткнутой в пробку. Завитки змеи при этом опустятся, образуя нечто вроде спиральной лестницы.
«Змея» готова; можно приступить к опытам. Поместите ее около топящейся кухонной плиты: змея завертится тем проворнее, чем плита горячее. Вообще возле всякого горячего предмета – лампы, самовара – змея будет оживленно вращаться, без устали и остановки, пока предмет горяч. Хорошо вертится змея, если подвесить ее над керосиновой лампой.
Что же заставляет змею вертеться? То же, что вращает крылья ветряной мельницы: ток воздуха. Возле каждого нагретого предмета существует течение теплого воздуха, поднимающегося вверх. Происходит этот ток оттого, что при нагревании воздух, как и все тела (кроме ледяной воды), расширяется и, значит, становится реже, т. е. легче. Окружающий воздух, более холодный, а следовательно и более плотный, тяжелый, вытеснит его вверх, заступая его место, но, тотчас же сам нагревшись, разделяет его участь и вытесняется новой порцией более холодного воздуха. Таким образом каждый нагретый предмет порождает над собой восходящее течение воздуха, которое поддерживается все время, пока предмет теплее окружающего воздуха. Другими словами, от каждого нагретого предмета дует вверх незаметный теплый ветерок. Он-то и ударяет в витки нашей бумажной змейки и заставляет ее вертеться, как ветер вертит крылья мельницы.
Рис. 80. Почему вертится бумажная змейка над лампой?
Вместо змеи можно заставить вращаться и бумажку иной формы, например в виде бабочки. Лучше вырезать ее из папиросной бумаги и, перевязав посредине, подвесить на очень тонкой ниточке или на волосе. Подвесьте такую бабочку над лампой, – она закружится, как живая. Бабочка отбросит на потолок свою тень, которая будет повторять в усиленном виде все движения бумажной бабочки. Человеку, не знающему, в чем дело, покажется, что в комнату залетела крупная черная бабочка и судорожно порхает под потолком.
С расширением воздуха от нагревания и с его восходящими теплыми течениями мы встречаемся положительно на каждом шагу Все знают, что в натопленной комнате самый теплый воздух скопляется у потолка, а самый холодный стекает к полу Оттого нам и кажется зачастую, что дует снизу в ноги, когда комната еще недостаточно нагрелась. Если приоткрыть дверь из теплой комнаты в прохладную, холодный воздух втекает снизу, а теплый вытекает вверху; пламя свечи возле двери укажет направление этих течений. Желая сохранить тепло в натопленной комнате, вы должны заботиться о том, чтобы через щель под дверью не втекал холодный воздух. Для этого достаточно прикрыть эту щель ковриком или хотя бы даже просто газетным листом; теплый воздух, не вытесняемый снизу холодным, не сможет тогда выходить через верхние щели комнаты.
Рис. 81. Как изготовляется маленький воздушный шар из папиросной бумаги. Гондолой служит крышка от жестянки; в нее кладут смоченную спиртом ватку и поджигают; шар пускают, едва только пламя погаснет (но не ранее – иначе возможен пожар)
А что такое «тяга» в печи или в фабричной трубе, как не восходящий ток теплого воздуха? А бумажные воздушные шары, пускаемые во время гуляний, разве не оттого они поднимаются, что воздух, нагреваемый в них (от пропитанной спиртом зажженной ваты), легче окружающего холодного? Мы могли бы рассказать еще о теплых и холодных течениях в нашей атмосфере, о «пассатах», «муссонах», «бризах» и тому подобных ветрах, но это отвлекло бы нас слишком далеко. Расскажем только об одном – о том, как поднялся первый воздушный шар.
В наши дни воздушные шары (или, как часто их называют, аэростаты) поднимаются на высоту двух десятков километров и выше. Советские воздухоплаватели Федосеенко, Васенко и Усыскин поднялись, как уже было сказано, на шаре особого устройства до высоты 22 километров. Но когда был пущен первый воздушный шар, он поднялся только на 2 километра. Для людей того времени, впервые видевших подобное зрелище и никогда о нем не слыхавших, это было необычайной диковинкой. Первый воздушный шар был изготовлен и пущен двумя братьями-французами Монгольфье в 1783 г., боле двухсот лет назад. Послушаем, как рассказывает об этом событии один из очевидцев (профессор ботанического сада Фожа):
«Велико было удивление публики, когда они увидели на площади шар в 35 метров в окружности, к нижнему концу которого была прикреплена большая деревянная рама. Его оболочка, вместе с рамой весила 250 килограммов и могла вместить 630 куб. метров газа. Когда изобретатели этой машины объявили, что она поднимется до облаков, лишь только будет наполнена газом, который они приготовят самым простым способом, то, несмотря на уважение к просвещенности и уму Монгольфье, это показалось присутствующим мало вероятным; даже наиболее образованные и наименее предубежденные люди решительно усомнились в успехе опыта.
«Наконец Монгольфье приступают к делу. Они начинают с приготовления газа, который должен вызвать поднятие шара. Машина, которая представляла собою лишь полотняную оболочку, подклеенную бумагой, и имела вид гигантского мешка в 11 метров вышины, начинает надуваться и увеличиваться на глазах присутствующих, принимает красивую форму и стремится подняться вверх. Сильные руки удерживают ее в ожидании сигнала; когда же сигнал был подан, шар быстро поднимается в воздух. Ускоренно уносится он на высоту 1 800 метров в продолжение не более десяти минут. Затем он проходит 220 метров в горизонтальном направлении и, потеряв много газа, медленно спускается.
Рис. 82. Подъем первого воздушного шара братьев Монгольфье во Франции в 1783 г.
«Без сомнения, шар продержался бы в воздухе значительно дольше, если бы было возможно внести в его устройство больше прочности. Но цель была достигнута, и этою первою попыткою, увенчавшеюся столь счастливым успехом, Монгольфье навсегда закрепили за собою славу одного из самых удивительных открытий».
Шар этот поднялся без людей. Спустя несколько месяцев состоялся и подъем первых живых «пассажиров»: это были курица, утка и баран.
Вы уже знаете, что в наше время шары наполняются не нагретым воздухом, а другими газами, которые сами по себе, даже и не будучи нагреты, легче воздуха.
Полет первого воздушного шара в России состоялся в Москве уже спустя год после сейчас описанного французского подъема, весной 1784 г. Московская газета того времени писала:
«Воздушный шар начал подниматься пополудни в 1-м часу между 20 и 25 минутами и менее нежели в 5 минут взошел выше 500 сажен (1 000 метров) и продолжал хождение свое так, что в 2 1/2 часа видели его весьма малым и можно было заключить, что он отстоял от земли на 1 500 сажен (3 километра). Он упал перед захождением солнца в 7 часов, от Москвы за 27 верст по Калужской дороге».
Самыми «жаркими» дровами принято считать березовые; за кубометр березовых дров охотно платят поэтому дороже, чем за кубометр дров других пород. Правильно ли это?
Безусловно верно то, что березовое полено дает при сгорании больше теплоты, чем такой же величины полено сосновое или осиновое. Но если станем сравнивать количество тепла, получаемого не от кусков одинаковой величины, а от кусков одинакового веса, то выйдет совсем другое. Окажется, что килограмм древесины, безразлично какой породы, дает всегда одно и то же примерно количество тепла. Так как березовая древесина заметно тяжелее сосновой, еловой или осиновой (при одинаковой степени сухости), то понятно, почему мы считаем березу «жарче» сосны, ели и осины. Кубический метр березовых дров должен давать во столько раз больше тепла, чем осиновые, во сколько раз береза тяжелее осины. Если знать, сколько весят кубический метр дров различных пород, то нетрудно рассчитать, сколько именно стоит переплачивать на березе по сравнению с дровами других пород. Вот вес кубометра сухих дров трех пород:
Березы……………….. 500 кг
Ели………………….. 400 кг
Осины………………… 360 кг
Березовые дрова тяжелее еловых на 20 %. За березовые дрова выгодно поэтому переплачивать 20 % по сравнению с елью, но никак не больше. Покупая дрова при наличии выбора, надо всегда соображать, отвечает ли соотношение цен соотношению весов, и в зависимости от этого решать, какую породу выгоднее купить для отопления.
Легко ли зимой получить бутылку льда?
Казалось бы, что может быть легче: налить воду в бутылку, выставить за окно и остальное предоставить морозу. Холод заморозит воду, и получится бутылка, полная льда.
Рис. 83. Замерзая в бутылке, вода разрывает ее.
Почему?
Однако, если вы выполните этот опыт, то убедитесь, что дело не так просто. Лед-то получается, но бутылки уже не оказывается: она раскалывается под напором замерзающего льда. Происходит это оттого, что вода, замерзая, заметно увеличивается в объеме, примерно на десятую долю. Расширение происходит с такою силою, что не только закупоренные бутылки лопаются, но даже и у открытых бутылок откалывается горлышко от напора расширяющегося под ним льда; вода, замерзшая в горлышке, превращается словно в ледяную пробку, закупоривающую остальную часть жидкости.
Сила расширения замерзающей воды может разрывать не только стеклянные стенки посуды. Ей уступает даже железо. Вода на морозе разрывает 5-сантиметровые стенки железной бомбы. Неудивительно, что часто разрываются водопроводные трубы, когда в них замерзает вода.
Расширением воды при замерзании объясняется и то, что лед на воде плавает, а не падает на дно. Если бы вода при затвердевании сжималась, как почти все другие жидкости, то лед, образовавшись в воде, не плавал бы на ее поверхности, а тонул. И тогда мы лишились бы тех услуг, которые доставляет нам каждую зиму,
Вы, вероятно, слыхали, что куски льда под давлением «смерзаются». Это не значит, что они замерзают еще сильнее, когда на них давят. Как раз наоборот: при сильном давлении лед тает, но едва образовавшаяся при этом холодная вода освобождается от давления, она снова замерзает (потому что температура ее ниже нуля градусов). Когда мы сдавливаем куски льда, происходит следующее. Концы тех выступающих частей, которые соприкасаются между собой и подвергаются сильнейшему давлению, тают, образуя воду при температуре ниже нуля. Вода эта уходит в стороны, в мелкие пустые промежутки между выступами; не испытывая там повышенного давления, она тотчас же замерзает, спаивая таким образом осколки льда в один сплошной кусок.
Проверить сказанное вы можете на красивом опыте. Выберите ледяной брусок, обоприте его концы на край двух табуретов, стульев или каким-нибудь другим способом.
Поперек бруска перекиньте петлю из тонкой стальной проволоки сантиметров в 80 длины, толщиной в полмиллиметра. К концу проволоки привесьте пару утюгов или какую-нибудь другую тяжелую вещь, весом килограммов 5—10. Под давлением груза проволока врежется в лед, медленно пройдет через весь брусок, но… брусок не распадется. Берите его смело в руки: он совершенно цел и крепок, словно его и не разрезали.
Рис. 84. Лед под сильным давлением тает даже на морозе
После сказанного раньше о смерзании льда вы поймете, в чем разгадка этого странного явления. Под давлением проволоки лед таял, но вода, перейдя поверх проволоки и освободившись там от давления, тотчас замерзала. Короче сказать, пока проволока резала нижние слои, верхние снова смерзались.
Лед – единственное вещество в природе, с которым можно сделать подобный опыт. Оттого-то по льду можно ездить на санях и кататься на коньках. Когда конькобежец опирается весом своего тела на коньки, лед под этим давлением тает (если мороз не слишком силен), и конек скользит; но, переходя на другое место, конек и здесь вызывает таяние. Куда ни ступит нога конькобежца, всюду она превращает тонкий слой льда под сталью конька в воду, которая, освободившись от давления, вновь замерзает. Поэтому, хотя лед в мороз и сух, но под коньками он всегда смазан водой. В этом и причина его скользкости.
Отчего происходит певучий звук, который издает самовар, перед тем как вода в нем закипит?
Вода, непосредственно прилегающая к трубе самовара, превращается в пар, который образует в воде небольшие пузырьки. Как более легкие, пузырьки эти вытесняются окружающей водой вверх. Здесь они попадают в воду, температура которой ниже 100°. Пар в пузырьках охлаждается, сжимается, и стенки пузырьков под давлением окружающей воды смыкаются. Итак, перед началом кипения пузырьки, все более и более многочисленные, поднимаются вверх, но ее доходят до уровня воды, а с легким треском смыкаются по пути.
От этих-то многочисленных потрескиваний и происходит шум, который мы слышим перед закипанием. Английский физик У. Браг сравнивает щелканье смыкающихся стенок пузырька с ударом двух кусков стали, «а потому, – пишет он, – в чайнике (самоваров в Англии нет) поднимается шум, похожий на непрерывно следующие друг за другом удары крошечного молота: ведь эти удары передаются водой металлическим стенкам, да и у самих стенок происходят такие же удары».
Когда же вся вода в самоваре или в чайнике нагреется до температуры кипения, пузырьки перестают смыкаться, проходя через толщу воды, и «пение» прекращается. Едва однако самовар начнет остывать, условия для возникновения звуков появляются опять, и пение возобновляется.
Вот почему самовары и чайники поют только перед закипанием и при остывании; кипящий же самовар никогда не издает этого певучего звука.
Вы уверены, конечно, что видели водяной пар уже много раз, видите его ежедневно. Между тем, видеть водяной пар совершенно невозможно, как нельзя видеть воздух. Дело в том, что пар, настоящий пар, прозрачен и невидим. Тот белый дымок, который вырывается из носика чайника, или те белые клубы, которые выпускает паровоз, – вовсе не пар в строгом смысле слова, хотя его так называют в обиходе. Это туман, а не пар. Чем отличается туман от пара? Пар – газ прозрачный и невидимый; туман же – газ, сгустившийся в мельчайшие водяные капельки, которые, как пылинки, парят в воздухе и, как пыль же, делают его непрозрачным. Туман белого цвета по той же причине, по какой бел снег: всякое мелкое, раздробленное прозрачное вещество (в снеге – лед, в тумане – вода) имеет белый цвет.
Итак, тот пар, которым мы пользуемся в технике как источником энергии, совершенно невидим, – все равно, будет ли это пар «насыщенный» (т. е. не могущий уже при своей температуре заключать больше влаги в отведенном ему пространстве) или «перегретый». Если вы желаете в этом убедиться, взгляните в кочегарке на водомерное стекло – трубку, показывающую уровень воды в паровом котле. Вы увидите в трубке воду, но над водой не заметите ничего. А между тем всю верхнюю часть трубки над уровнем воды занимает пар – тот самый пар, горячий и сжатый, который образуется в котле и работает в паровом цилиндре. Если бы вы могли проникнуть взглядом в паровой цилиндр, то увидели бы странную, неожиданную картину: поршень быстро снует вперед и назад, а того пара, который его толкает и является источником работы всей машины, совершенно не видно.
Невидимый пар скрывает в себе огромные запасы энергии. И не только тот пар, который добывается под усиленным давлением в паровом котле, но даже и обыкновенный пар, образующийся при кипении чайника. Откуда эта энергия берется? Мы сами заряжаем пар энергией, когда кипятим воду на огне: переводим энергию огня в воду, а затем и в пар. Займемся арифметикой нагревания и кипячения воды; мы лучше поймем тогда, что здесь происходит.
Нагревая килограмм воды на один градус (стоградусного термометра), мы затрачиваем порцию тепла, которая называется «калорией». Когда же эта порция теплоты, калория, превращается полностью в механическую работу, получается запас энергии, достаточный для подъема килограммовой гири на высоту 427 м.
Зная это, вы можете точнее оценить, сколько энергии сообщили одному стакану воды, нагрев его до кипения. Если первоначальная температура воды была, скажем, 10°, а теперь 100°, то нагревать пришлось на 90°, весит же стакан воды 1/4 кг. Значит, на нагревание пошло 90 раз по четверти калории, т. е. 221/2 калории. Превращенное в механическую работу, это количество тепла достаточно для поднятия груза в 22 1/2 кг на высоту 427 м, или – что то же самое – полутонны на крышу пятиэтажного дома. Вот сколько энергии кроется в одном стакане горячего чая!
Но запас этот еще очень скромен по сравнению с энергией пара. Дело в том, что для превращения воды в пар недостаточно нагреть ее до 100°. Если бы было так, если бы вода, доведенная до 100°, сразу превращалась в пар, никогда не пришлось бы нам пить горячего чая: вся вода в самоваре, нагретая до 100°, мгновенно превращалась бы в пар; самовар разрывался бы, как бомба. Ничего подобного, к счастью, не наблюдается: вода при 100° превращается в пар постепенно и только до тех пор, пока продолжается приток тепла. Эта дополнительная теплота, которую надо подводить к воде, уже нагретой до 100°, чтобы превратить ее в пар (тоже 100-градусный), называется «скрытой теплотой кипения». Она целиком расходуется на внутреннюю работу превращения жидкой воды в пар той же температуры. Скрытой теплоты требуется очень много: для полного превращения 1 кг воды при 100° в пар тоже 100° надо сообщить воде 536 калорий – вшестеро больше, чем нужно «явной» теплоты для нагревания того же килограмма воды от 10 до 100°. Вот почему пар заключает в себе гораздо больший запас энергии, чем вода при той же температуре (100°).
Обратимся опять к подсчету. У вас стоит на огне чайник с двумя литрами воды; чайник кипел так долго, что вся вода выкипела, превратилась в пар. Какой запас энергии сообщен этому пару? Два литра воды весят 2 кг. Составим счет тепловых расходов.
На нагревание 2 кг воды от 10° до 100°…. 180 кал.
На превращение в пар 2 кг воды при 100°
(по 536 калорий на 1 кг)……………. 1 072 кал.
________________________________________________
Итого…….. 1 252 кал.
Переведем этот запас тепла в механическую работу. Получим 427 × 1 252, т. е. около 535 тыс. килограммометров. Таким количеством энергии можно поднять целый каменный дом на высоту нескольких этажей.
Неудивительно, что энергия пара движет тяжелые поезда и огромные пароходы, приводит в действие многочисленные станки целого завода, а в случае катастрофы разносит вдребезги паровой котел и рушит каменные стены.
Стакан чая был горяч, а теперь остыл. Теплота вышла из него и рассеялась кругом. Вы и не подозреваете, какой могучий богатырь вышел вместе с теплотой из этого чая. Он невидим, этот богатырь, но о его могуществе вам может рассказать несложный расчет.
В нашем стакане было примерно четверть килограмма горячей воды; значит, при остывании на каждый градус она теряла четверть калории. А так как чай остыл с 100° до 20° (от температуры кипения до комнатной), т. е. на 80°, то всего чай потерял 1/4 × 80 = 20 калорий.
Двадцатью калориями можно сделать очень много, если превратить всю эту теплоту в механическую работу. Одна калория, превращаясь полностью в работу, могла бы поднять груз в 1 кг на высоту 427 м, округляя – на 430 м. Значит, та теплота, которая вышла из нашего чая (20 калорий), могла бы поднять на 430 м 20 кг, или на 1 м огромный груз – 8 600 кг. Такую же работу совершает молотобоец, делая 400 ударов, или огромный 5-тонный паровой молот, падающий с высоты человеческого роста! Разве не богатырская мощь скрывается в стакане горячего чая?
Вот еще более поразительное сопоставление. Та же самая энергия заключается в 20 ружейных пулях, летящих со скоростью 700 м в секунду. Залп из 20 винтовок – вот мощь, скрытая в стакане горячего чая!
Можно было бы заставить этого богатыря выполнять и другую работу, например, светить в электрической лампочке. Тогда он сможет в течение целого часа посылать вам свет 25-ваттной лампочки. Это тоже очень почтенная работа!
Не так-то просто однако заставить этого богатыря работать нам на пользу. Теплоту вообще трудно превратить в механическую работу; человеческой изобретательности удается заставить теплоту выполнять только часть – меньшую часть – той механической работы, на которую она способна.
Путешествующие по Калифорнии (Америка) могут заметить на крышах многих домов ящики, похожие с виду на дымовые трубы, но никогда не выпускающие из себя дыма. Это не что иное, как баки теплой воды, запасаемой для хозяйства – для стирки, мытья посуды, умыванья и т. п. На первый взгляд в этом ничего необычного нет: бак ставят на крышу, потому что оттуда, сверху, легко подводить по трубам воду к любому месту дома. Замечательно здесь не это, а то, как вода нагревается. Жители не расходуют на нагревание этой воды ни угля, ни дров, ни керосина, ни электрического тока, а возлагают работу нагревания всецело на Солнце. На крыше устроен плоский трубчатый котел, трубы которого, заключающие воду, подвергаются действию солнечных лучей. Нагретая вода, как более легкая, скопляется в баке, который помещен выше труб. Получается, правда, не кипяток, а вода 40–60°, вполне однако пригодная для многих хозяйственных надобностей.
Перед нами пример того, как можно заставить Солнце работать непосредственно на пользу человека. В сущности Солнце и без того работает нам на пользу, работает давно, – с тех пор как существует человек. Солнце – почти единственный источник всего тепла и всей работы, какой мы пользуемся. Не думайте, что когда машина работает у нас на угле, на нефти, на дровах или даже от падающей воды, то мы обходимся без Солнца. Ведь уголь не что иное, как остатки растений, а образование горючих составных частей в растениях происходит не иначе, как при участии солнечных лучей. Та теплота, которую дерево или уголь развивают в топке машины, есть солнечная энергия, раньше накопленная растениями и теперь освобождающаяся. Мускульная работа – тоже видоизмененная энергия Солнца, почерпнутая нами (или животными, которыми мы питаемся) из растений. Водные массы водопада подняты были на высоту также Солнцем, его лучами.
Итак, каждый двигатель, работающий на угле, есть в сущности двигатель солнечный. Но каменный уголь приходится извлекать из недр земли с немалой затратой труда.
Нельзя ли миновать дорогое посредничество угля и получить энергию прямо от солнца, по крайней мере, в тех странах, где небо ясно и солнце жарко греет? В странах капиталистических это привело бы, правда, лишь к увеличению безработицы и углублению хозяйственного кризиса. Зато в условиях нашего социалистического хозяйства последствия «желтого угля» (так называют энергию солнечных лучей) были бы совсем иные: освободилась бы огромная армия шахтеров и приложила бы свой труд в других отраслях социалистической промышленности.
Но возможно ли это? Теоретически это легко осуществимо. В южных странах каждый квадратный метр земной поверхности получает за день от солнца столько теплоты, что, превращенная в механическую работу, она могла бы дать около двух лошадиных сил. Однако превращение тепла в механическую работу на практике связано с большими потерями, поэтому удается получить лишь десятую долю той энергии, которую обещает теория. До сих пор попытки заставить солнце нагревать котел паровой машины оказывались поэтому мало выгодными. Установка обходилась дорого, уход также стоил немало, и польза оказывалась недостаточной для оправдания расходов. Лошадиная сила, полученная от солнца, обходилась дороже, чем извлеченная из угля.
Другое дело – использование солнечных лучей не для приведения машин в движение, а для надобностей нагревания. Здесь польза солнечных установок должна оправдываться не только теоретически, но и практически. В знойных частях нашего Туркестана, где в течение теплой половины года небо безоблачно, солнечные нагреватели должны быть особенно полезны. Такие установки есть в Ташкенте, в Самарканде, на нефтяных промыслах острова Челекена (Каспийское море). Вот полезные в народном хозяйстве источники энергии:
«белый уголь» – энергия падающей воды;
«желтый уголь» – энергия солнечных лучей; «голубой уголь» – энергия ветра;
«синий уголь» – энергия морского прибоя и морских приливов;
«серый уголь» – энергия морского магнетизма.
В значительной мере также и эти источники энергии обусловлены солнцем. Ветер – результат неодинакового нагревания солнцем различных масс воздуха; морской прибой – следствие ветра. И только приливы и земной магнетизм не целиком зависят от солнца[19].
Л.H. Толстой. «Первая книга для чтения» («Как в городе Париже починили дом»).
В настоящее время солнечная энергия используется не только для непосредственного нагревания воды. Солнечные батареи, работающие на основе специально выращенных кристаллов, превращают энергию солнечного излучения в электрическую энергию, которая питает цифровые калькуляторы, двигатели машин и т. д. Благодаря солнечным батареям получают электроэнергию космические аппараты и орбитальные станции – такие, как «Мир» и МКС.