Александр Китайгородский - Физика для всех. Движение. Теплота
Конвекция
Но если вода такой плохой проводник тепла, то как же она нагревается в чайнике? Воздух еще хуже проводит тепло; тогда непонятно, почему во всех частях комнаты зимой устанавливается одинаковая температура.
Вода в чайнике быстро закипает из-за земного притяжения. Нижние слои воды, нагреваясь, расширяются, становятся легче и поднимаются кверху, а на их место поступает холодная вода. Быстрый нагрев происходит лишь благодаря конвекции (латинское слово, означающее «перемешивание»). Нагреть воду в чайнике, находящемся в межпланетной ракете, будет не так-то легко.
Еще об одном случае конвекции воды, не называя этого слова, мы говорили несколько раньше, объясняя, почему реки не промерзают до дна.
Почему батареи центрального отопления помещаются у пола, а форточки делаются в верхней части окна? Пожалуй, удобнее было бы открывать форточку, если бы она была внизу, а батареи, чтобы не мешались, было бы неплохо поместить под потолком.
Если бы мы послушались таких советов, то быстро бы обнаружили, что комната не прогревается батареей и не проветривается при открытой форточке.
С воздухом в комнате происходит то же самое, что и с водой в чайнике. Когда батарея центрального отопления включается, воздух в нижних слоях комнаты начинает нагреваться. Он расширяется, становится легче и поднимается кверху, к потолку. На его место приходят более тяжелые слои холодного воздуха. И они, нагревшись, уходят к потолку. Таким образом в комнате возникает непрерывное течение воздуха – теплого снизу вверх и холодного сверху вниз. Открывая форточку зимой, мы впускаем в комнату поток холодного воздуха. Он тяжелее комнатного и идет вниз, вытесняя теплый воздух, который поднимается кверху и уходит в форточку.
Керосиновая лампа хорошо разгорается лишь тогда, когда на нее надето высокое стекло. Не следует думать, что стекло нужно только для защиты пламени от ветра. И в самую тихую погоду яркость света сразу возрастает, как только на лампу надето стекло. Роль стекла состоит в том, что оно усиливает приток воздуха к пламени – создает тягу. Это происходит по той причине, что воздух внутри стекла, обедненный кислородом, затраченным на горение, быстро нагревается и идет кверху, а на его место поступает чистый холодный воздух через отверстия, сделанные в горелке лампы.
Чем выше стекло, тем лампа будет лучше гореть. Действительно, быстрота, с которой устремляется холодный воздух в горелку лампы, зависит от разности в весе нагретого столба воздуха в лампе и холодного воздуха вне лампы. Чем выше столб воздуха, тем больше будет эта разность весов, а с ней и быстрота перемешивания.
Поэтому и заводские трубы делают высокими. Для заводских топок нужен особенно сильный приток воздуха, нужна хорошая тяга. Она и достигается благодаря высоким трубам.
Отсутствие конвекции в лишенной тяжести ракете не позволит пользоваться спичками, лампами и газовыми горелками: продукты сгорания задушат пламя.
Воздух – плохой проводник; при его помощи мы можем сохранять тепло, но с одним условием: если мы избежим конвекции – перемешивания теплого и холодного воздуха, – которая сводит на нет теплоизоляционные свойства воздуха.
Устранение конвекции достигается применением разного рода пористых и волокнистых тел. Внутри таких тел воздуху трудно двигаться. Все подобные тела хороши как теплоизоляторы только благодаря своей способности удерживать слой воздуха. Теплопроводность же самих веществ волокна или стенок пор может быть не очень малой.
Хороша шуба из густого меха, содержащего как можно больше волокон; гагачий пух позволяет изготовлять теплые спальные мешки весом меньше полукилограмма из-за исключительной тонины своих волокон. Полкилограмма этого пуха могут «задержать» столько же воздуха, сколько десяток килограммов ватина.
Для уменьшения конвекции делают двойные рамы. Воздух между стеклами не участвует в перемешивании воздушных слоев, происходящем в комнате.
Наоборот, всякое движение воздуха усиливает перемешивание и увеличивает передачу тепла. Именно поэтому, когда нам нужно, чтобы тепло уходило побыстрее, мы обмахиваемся веером или включаем вентилятор. Поэтому на ветру и холоднее. Но если температура воздуха выше температуры нашего тела, то перемешивание приведет к обратному результату, и ветер ощущается, как горячее дыхание.
Задача парового котла состоит в том, чтобы как можно быстрее получать нагретый до нужной температуры пар. Естественной конвекции в поле тяжести для этого совершенно недостаточно. Поэтому создание интенсивной циркуляции воды и пара, приводящей к перемешиванию теплых и холодных слоев, является одной из основных задач при конструировании паровых котлов.
XII. Состояния вещества
Железный пар и твердый воздух
Не правда ли – странное сочетание слов? Однако это вовсе не чепуха: и железный пар, и твердый воздух существуют в природе, но только не при обычных условиях.
О каких же условиях идет речь? Состояние вещества определяется двумя обстоятельствами: температурой и давлением.
Наша жизнь протекает в относительно мало меняющихся условиях. Давление воздуха колеблется в пределах нескольких процентов около одной атмосферы (1 кГ/см2); температура воздуха, скажем, в районе Москвы лежит в интервале от −30° до +30°; в абсолютной шкале температур, в которой за нуль принята самая низкая возможная температура (−273°), этот интервал будет выглядеть менее внушительно: 240–300 K, что также составляет всего ±10 % от средней величины.
Вполне естественно, что мы привыкли к этим обычным условиям и поэтому, говоря простые истины вроде: «железо – твердое тело, воздух – газ» и т.д., мы забываем добавить: «при нормальных условиях».
Если нагревать железо, оно сначала расплавится, а потом испарится. Если воздух охлаждать, то он сначала превратится в жидкость, а затем затвердеет.
Даже если читатель и не встречался никогда с железным паром и твердым воздухом, он, вероятно, без труда поверит, что любое вещество изменением температуры можно получать и в твердом, и в жидком, и в газообразном состоянии, или, как еще говорят, в твердой, жидкой или газовой фазе.
Поверить в это легко потому, что одно вещество, без которого жизнь на Земле была бы невозможной, каждый наблюдал и в виде газа, и как жидкость, и в виде твердого тела. Речь идет, конечно, о воде.
При каких же условиях происходят превращения вещества из одного состояния в другое?
Кипение
Если опустить термометр в воду, которая налита в чайник, включить электроплитку и следить за ртутью термометра, то мы увидим следующее: почти сразу же уровень ртути поползет кверху. Вот уже 90°, 95°, наконец 100°. Вода закипает, и одновременно прекращается подъем ртути. Вода кипит уже много минут, но уровень ртути не изменяется. Пока вся вода не выкипит, температура не изменится (рис. 97).
На что же идет тепло, если температура воды не меняется? Ответ очевиден. Процесс превращения воды в пар требует энергии.
Сравним энергию грамма воды и грамма образовавшегося из нее пара. Молекулы пара расположены дальше одна от другой, чем молекулы воды. Понятно, что из-за этого потенциальная энергия воды будет отличаться от потенциальной энергии пара.
Потенциальная энергия притягивающихся частиц уменьшается с их сближением. Поэтому энергия пара больше энергии воды, и превращение воды в пар требует энергии. Этот избыток энергии и сообщается электроплиткой воде, кипящей в чайнике.
Энергия, нужная для превращения воды в пар, называется теплотой испарения. Для превращения 1 г воды в пар требуется 539 кал (это цифра для температуры 100 °C). Если 539 кал идет на 1 г, то на 1 грамм-молекулу воды будет затрачено 18·539 = 9700 кал. Такое количество тепла надо затратить на разрыв межмолекулярных связей.
Можно сравнить эту цифру с величиной работы, необходимой для разрыва внутримолекулярных связей. Для того, чтобы одну грамм-молекулу водяного пара расщепить на атомы, требуется около 220 000 кал, т.е. в 25 раз больше энергии. Это непосредственно доказывает слабость сил, связывающих молекулы друг с другом, по сравнению с силами, стягивающими атомы в молекулу.
Зависимость температуры кипения от давления
Температура кипения воды равна 100 °C; можно подумать, что это неотъемлемое свойство воды, что вода, где бы и в каких условиях она ни находилась, всегда будет кипеть при 100 °C.
Но это не так, и об этом прекрасно осведомлены жители высокогорных селений.
Вблизи вершины Эльбруса имеется домик для туристов и научная станция. Новички иногда удивляются, «как трудно сварить яйцо в кипятке» или «почему кипяток не обжигает». В этих случаях им указывают, что вода кипит на вершине Эльбруса уже при 82 °C.
