Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами - [80]
Закон сохранения энергии утверждает: чтобы отопить помещения вашего дома, такой стержень должен терять столько же энергии, сколько отдает окружающему пространству. Он должен быстро охлаждаться и становиться все холоднее от комнаты к комнате. Он не может отдавать тепло в одной комнате и сохранять достаточно тепла для следующей. Для этого в последней комнате дома он должен был бы оставаться очень горячим. И первая комната на его пути должны быть более нагрета. Вывод таков: такой металлический стержень не может быть достаточно горячим, чтобы в равной степени обогреть все комнаты одинаково и не стать причиной пожара в доме.
Разве не странно, что раскаленный докрасна железный стержень не может обогреть дом? Ответ кроется в разнице между температурой и энергией. Инстинктивно мы полагаем, что горячие предметы содержат много тепловой энергии, но это не всегда верно. Как мы видели в главе 13, есть принципиальная разница между температурой объекта и заключенной в ней тепловой энергией. Именно поэтому холодный айсберг может содержать много тепла.
Любимый вопрос учителя физики таков: почему вы можете обжечь губы о начинку горячего яблочного пирога, но не обожжетесь о корочку жареной вермишели, хотя оба эти лакомства одинаковой температуры? Дело в том, что сухая корочка содержит сравнительно мало влаги, поэтому в ней заключено меньше тепловой энергии, чем в жидкой яблочной начинке, которая в основном состоит из воды. Когда ваш язык касается корочки вермишели, она быстро отдает тепло рту, но не обжигает его и быстро остывает. Когда то же происходит с яблочным пирогом, его жидковатая начинка отдает много тепловой энергии и может обжечь губы. Потому-то вы можете удержать голой рукой пирог «с пылу с жару», только что вынутый из печи и завернутый в алюминиевую фольгу. Алюминий обладает низкой теплоемкостью (примерно в пять раз ниже, чем вода), так что, когда вы касаетесь его и понижаете его температуру до температуры своего тела, он не отдает много тепла и не обжигает.
Но давайте все же разберемся, почему система отопления, заполненная водой, работает лучше, чем твердый отопительный элемент, который можно пропустить по дому. Как может вода в этой системе отдавать тепло в каждой комнате и сохранять достаточное его количество, чтобы отапливать следующие помещения? Всё снова объясняется высокой теплоемкостью воды – ее удивительной способностью удерживать тепло благодаря особенностям своего молекулярного строения. Удельная теплоемкость железа почти в девять раз ниже, чем воды. Когда килограмм разогретого железа остывает на 10 °C, он отдает в девять раз меньше тепловой энергии, чем когда на 10 °C остывает литр воды. Хотя при движении из помещения в помещение подогретая в отопительной системе вода постепенно остывает, она все равно отдает дому много тепла. И, конечно, обладая высокой текучестью, она может быть быстро возвращена в отопитель, чтобы повторить весь цикл.
Именно поэтому мы кладем в кровать для согревания бутыли или другие емкости с горячей водой, а не разогретые куски железа. В старину люди использовали медные грелки, которые были похожи на закрытые сковородки с длинными ручками, заполненные горячими углями. Поначалу они были горячими, но долго тепло не держали, поскольку медь обладает сравнительно небольшой теплоемкостью. К тому же они были небезопасны в использовании.
▲ Почему вода хорошо держит тепло. Вода держит тепло лучше почти всех веществ и материалов: у нее высокая удельная теплоемкость. Это означает, что нужно больше энергии (4 Дж), чтобы нагреть 1 г воды на 1 °C. Металлы имеют низкую удельную теплоемкость, потому что являются хорошими проводниками тепла (обладают высокой теплопроводностью). Приведенные выше данные по теплоемкости веществ измерены в соотношении 1 Дж / 1 г / 1 °C.
Бутыль с горячей водой, завернутая в толстую мягкую ткань, остается сравнительно теплой и наутро после того вечера, когда она была наполнена. И всё потому, что молекулы воды так хорошо сохраняют тепло. По тому же принципу работает и ваше тело. Почему вы так долго не можете согреться в постели? Потому что ваше тело – в основном вода.
Вода в движении
Готовность воды двигаться по трубам важна едва ли не столько же, сколько ее готовность сохранять тепло. Если бы она была более вязкой и медленно текла, а не перемещалась потоком, мы наверняка меньше ее использовали бы. Представляете, сколько времени занимали бы душ, посещение туалета, мытье посуды или стирка, если бы вода двигалась со скоростью, скажем, патоки. Центральное отопление на основе патоки все равно работало бы, но гораздо менее эффективно. Жидкость так же отдавала бы тепло в каждом помещении, но гораздо медленнее возвращалась в отопитель для повторного нагрева.
