Читать онлайн «Новейшая книга фактов. Том 3. Физика, химия и техника. История и археология. Разное». Страница 5

Чем кирпичная печная труба лучше металлической?

Печная труба не только выбрасывает в атмосферу продукты сгорания, но и создает тягу, улучшающую условия горения. Нагретый воздух расширяется – при типичной для топочных газов температуре около 300 градусов по Цельсию объем этих газов в 2 раза больше, а давление в 2 раза меньше, чем у окружающего воздуха. Благодаря этому сквозь топку идет мощный поток воздуха, обеспечивающий горение. Тонкая металлическая труба охлаждается значительно сильнее, чем толстая кирпичная, поэтому ее тяга, особенно зимой, будет слабее.

Некоторые насекомые, например водомерки, свободно ходят по поверхности воды. Присмотревшись, можно увидеть, что там, где их тонкие длинные ноги соприкасаются с поверхностью воды, на ней появляются небольшие вмятины. Поверхность воды ведет себя так, как если бы она была покрыта тонкой пленкой, которая под весом насекомого растягивается, не разрываясь при этом. Физики называют это явление поверхносным натяжением. Оно обусловлено силами притяжения между молекулами. Внутри жидкости силы притяжения между молекулами взаимно компенсируются, а на молекулы, находящиеся вблизи поверхности жидкости, действует некомпенсированная результирующая сила, направленная внутрь от поверхности. Поэтому, чтобы переместить молекулу из глубины на поверхность жидкости, надо совершить работу против этой результирующей силы. Таким образом, молекулы на поверхности жидкости обладают определенной потенциальной энергией, которая и проявляется как поверхностное натяжение. Именно благодаря поверхностному натяжению капля жидкости в невесомости принимает такую форму, при которой обеспечивается минимальная площадь поверхности, – форму шара.

Вода остается на коже вышедшего из нее человека, а не скатывается вниз, как, например, с покрытого жиром оперения водоплавающих птиц, лишь потому, что кожа человека смачивается водой: молекулы воды притягиваются силами межмолекулярного взаимодействия к коже сильнее, чем друг к другу. Еще сильнее смачивается водой хлопчатобумажная ткань полотенца – молекулы воды притягиваются к ткани полотенца сильнее, чем к коже, и переходят при вытирании с кожи на полотенце. В противном случае полотенце просто размазывало бы воду по коже, не впитывая ее (именно так и случилось бы, если бы полотенце было сшито из синтетической ткани, отталкивающей воду). Смачивание – поверхностное явление, возникающее при соприкосновении жидкости с твердым телом, – проявляется также в растекании жидкости по твердой поверхности. Оно играет важную роль в пропитке и сушке пористых материалов, моющем действии, пайке металлов, склеивании, течении жидкости в условиях невесомости.

Твердость материала проявляется в его сопротивлении вдавливанию или царапанию. Твердость не является физической постоянной, а представляет собой сложное свойство, зависящее как от прочности и пластичности материала, так и от метода измерения. Для измерения твердости металлов чаще всего пользуются методом вдавливания. При этом величина твердости равна нагрузке, отнесенной к поверхности отпечатка, или обратно пропорциональна глубине отпечатка при некоторой фиксированной нагрузке. Отпечаток обычно производят шариком из закаленной стали (методы Бринелля, Роквелла), алмазным конусом (метод Роквелла) или алмазной пирамидой (метод Виккерса). Реже пользуются динамическими методами измерения, в которых мерой твердости является высота отскакивания стального шарика от поверхности изучаемого металла (например, метод Шора) или время затухания колебания маятника, опорой которого является исследуемый металл (метод Кузнецова – Герберта – Ребиндера). Получил распространение также метод измерения твердости с помощью ультразвуковых колебаний, в основе которого лежит измерение реакции колебательной системы (изменения ее собственной частоты) на твердость испытуемого металла. Выбор метода определения твердости зависит от исследуемого материала, размеров и формы образца или изделия и других факторов. В минералогии твердость оценивают по шкале Мооса, при этом используют 10 эталонов твердости: тальк – 1, гипс – 2, кальцит – 3, флюорит – 4, апатит – 5, ортоклаз – 6, кварц – 7, топаз – 8, корунд – 9, алмаз – 10. Относительная твердость определяется путем царапания поверхности испытываемого объекта эталоном шкалы. Если эталон с твердостью 5 царапает исследуемый образец, а последний оставляет след на поверхности эталона с твердостью 4, то твердость минерала приблизительно равна 4,5.

Агрегатными состояниями вещества называют состояния (фазы) одного и того же вещества в различных интервалах температур и давлений. Обычно рассматривают газообразное, жидкое и твердое агрегатные состояния, переходы между которыми сопровождаются скачкообразными изменениями свободной энергии, энтропии, плотности и других физических характеристик вещества. С увеличением температуры газов при фиксированном давлении они превращаются в ионизированную плазму, которую также принято считать агрегатным состоянием. В 1995 году американские физики Эрик Корнелл и Карл Уайман и немецкий физик Вольфганг Кеттерле получили пятое агрегатное состояние вещества – бозе-эйнштейновский конденсат. В 2004 году международной группой физиков открыто шестое агрегатное состояние вещества – фермионный конденсат.

Еще на заре науки было известно, что многие вещества могут существовать в виде газа, жидкости или в твердом состоянии – в зависимости от температуры. Наиболее известный пример – вода: если ее достаточно охладить, она замерзает, а если подогреть, превращается в пар. Никакой принципиальной разницы между газом и паром нет. Однако голландский естествоиспытатель Ян Баптист Гельмонт (1579–1644), введший в науку термин «газ», разделял вещества на те, которые имеют газообразный вид при обычной температуре, такие как двуокись углерода, и те, которыенаподобие водяного пара становятся газами лишь при достаточном нагреве. Последние вещества он назвал парами, и мы до сих пор говорим «водяной пар», а не «водяной газ».

Температура кипения – фазового перехода из жидкого в газообразное состояние (и наоборот) – воды, как и любого другого вещества, возрастает с увеличением внешнего давления. При стандартном атмосферном давлении на уровне моря (101,3 килопаскаля) температура кипения воды составляет 100 градусов Цельсия. На высочайшей вершине мира – Джомолунгме, где стандартное атмосферное давление составляет 31,5 килопаскаля, температура кипения воды равна 69,7 градуса Цельсия. При давлении, равном давлению воды на глубине 1 километр (9807 кило-паскалей), вода закипает при температуре 309,5 градуса Цельсия.

Еще из школьного курса физики мы знаем, что при нагревании все вещества – твердые, жидкие и газообразные – расшираются. Вода является одним из немногих исключений из этого правила, она имеет максимум плотности (минимум удельного объема) при температуре + 3,98 градуса Цельсия. Вода расширяется как при нагревании выше этой температуры, так и при охлаждении ниже ее.

Ответ на этот вопрос представляется очевидным – при 0 градусов Цельсия, – однако он не совсем корректен. Если подвергнуть медленному охлаждению очень чистую (лучше всего дистиллированную) воду, то она может оставаться жидкой и при температуре в несколько градусов ниже нуля. Однако, если в эту переохлажденную воду бросить маленький кусочек льда, щепотку снега или просто пыли, вода мгновенно замерзнет, прорастая по всему объему длинными кристаллами. Столь странное поведение воды объясняется особенностями процесса кристаллизации. Превращение жидкости в кристалл происходит в первую очередь на примесях и неоднородностях – частичках пыли, пузырьках воздуха, царапинах на стенках сосуда. Чистая вода центров кристаллизации практически лишена, поэтому она может переохлаждаться (и довольно сильно), оставаясь жидкой. Известен случай, когда содержимое хорошо охлажденной в морозильнике бутылки нарзана, открытой жарким летним днем, мгновенно превратилось в кусок льда. В лабораторных условиях температуру воды, правда, в очень малых объемах, удавалось довести до – 70 градусов Цельсия.

Лед плавает, потому что в отличие от большинства других веществ, кристаллизация которых сопровождается увеличением плотности, вода при замерзании скачкообразно расширяется (плотность ее скачкообразно падает). Причина этого явления, утверждают физики, состоит в особенностях структуры льда и воды. Молекулы воды, состоящие из одного атома кислорода и двух атомов водорода, имеют вид шариков с выпуклостями. В кристалле льда они располагаются так, что выпуклости (соответствующие атомам водорода) ориентируются строго по направлению двух соседних молекул. В результате возникает трехмерная кристаллическая решетка, состоящая из почти идеальных тетраэдров. Каждая молекула в его вершинах окружена четырьмя другими. У воды нет такой упорядоченной структуры, расположение ее молекул все время меняется. Но в любой момент каждую молекулу воды окружают 4–5 «соседок», так что среднее их число оказывается равным 4,4. Это означает, что молекулы воды в жидкости располагаются теснее, чем в кристалле, а потому вода плотнее льда.