Первоначала вещей - [10]

Это объясняется тем, что более быстрые молекулы нагретого газа, ударяя медленные молекулы холодного, отдают им часть своей энергии и благодаря этому сами начинают двигаться медленнее, «ибо тело, движущее своей силой другое, столько же оной у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает», — писал Ломоносов.

Спустя некоторое время, в результате бесчисленных соударений, установится общая всем молекулам смеси средняя скорость. Она будет больше, чем у молекул холодной, но меньше, чем у молекул горячей порции газа, до их смешения, и именно она определит температуру смеси.

^{Рис. 14. Температура различных тел. На центральном рисунке указана температура атомного взрыва.}

У читателя, естественно, возникнет вопрос: а что произойдет в том случае, если привести в соприкосновение два разных газа, имеющих одинаковую температуру? Сравняются ли при этом средние скорости молекул обоих газов? Оказывается, что этого не произойдет.

Очевидно, что наше простое определение температуры требует уточнения.

Чтобы определить точно, что такое температура, придется начать издалека.

Всякое движущееся тело способно совершить работу, оно обладает, как говорят физики, кинетической энергией. Не составляют исключений и движущиеся молекулы газов, — они тоже обладают кинетической энергией.

Чем быстрее движется тело, тем больше его кинетическая энергия. Из двух тел, движущихся с одинаковой скоростью, кинетическая энергия больше у того, масса которого больше, которое тяжелее.

Вычислить кинетическую энергию тела несложно: для этого надо массу тела умножить на квадрат его скорости и полученный результат разделить пополам.

^{Рис. 15. Так измеряется кинетическая энергия тела. М — масса тела, V — его скорость.}

Как показывают точные вычисления, температура тела является мерой средней кинетической энергии поступательного движения его молекул.

При одинаковой температуре средние кинетические энергии поступательного движения молекул всех газов равны. Понятно, что при этом более тяжелые молекулы движутся медленнее, более легкие быстрее. Если массы молекул различаются весьма значительно, то может оказаться, что средняя скорость молекул более холодного газа больше, чем у газа теплого. Для этого, конечно, необходимо, чтобы масса молекул холодного газа была много меньше массы молекул газа теплого.

Зная, от чего зависит температура газа, можно сделать два важных заключения.

Повышая температуру газа, мы повышаем скорость движения его частиц, и поскольку скорость можно увеличивать до очень больших значений, постольку возможны, очевидно, и очень высокие температуры. Известно, что астрономы предполагают внутри звезд температуры, исчисляемые миллионами градусов.

С другой стороны, то же самое движение, как писал Ломоносов, может настолько уменьшиться, что никакое дальнейшее уменьшение движения будет невозможно. И Ломоносов совершенно правильно заключил, что «по необходимости должна существовать наибольшая и последняя степень холода…»

Следовательно, нельзя безгранично охлаждать газ. Рано или поздно мы достигнем такой его температуры, когда скорость теплового движения молекул уменьшится до нуля. Дальнейшее охлаждение станет невозможным. Как оказалось, на 273,23 градуса ниже нуля надо охладить газ для того, чтобы прекратилось беспорядочное тепловое движение его молекул. Температуру, которая на 273,23 градуса ниже обычного нуля, называют абсолютным нулем.

Не думайте, однако, что при абсолютном нуле полностью исчезнет движение, — это прирожденное свойство материи. Нет. Исчезнет только тепловое движение, а сохранившееся движение частиц уже не будет зависеть от температуры.

Свойства веществ при очень низких температурах сильно изменяются. Так, при температуре около минус 200 градусов резиновый мячик делается хрупким, как стеклянный шарик; как серебряный, звенит при этой температуре свинцовый колокольчик.

Теплоемкость

Для того чтобы вскипятить чай, чайник ставят на плиту. Никто никогда не наблюдал, чтобы чайник, стоящий на столе, согрелся сам собой.

Мы говорим: для того чтобы тело нагрелось, то-есть для того чтобы повысилась его температура, ему необходимо сообщить какое-то количество теплоты. Эту теплоту можно получить различными способами. Обычно ее получают или сжигая топливо — дрова, керосин, газ, — или пропуская электрический ток через специальный нагреватель.

Чем больше теплоты мы сообщим телу, тем выше поднимется его температура.

Однако если одно и то же количество теплоты сообщать разным телам, то повышение температуры у них будет различно. Все это можно объяснить, если правильно определять, что такое температура, если опираться в своих рассуждениях на атомное учение.

Когда телу сообщается какое-то количество теплоты, средняя кинетическая энергия его молекул возрастает и, следовательно, повышается температура.

Один из основных законов природы — закон сохранения и превращения энергии — утверждает, что энергия не может создаваться из ничего; следовательно, без сообщения телу энергии температура его не поднимется.

Если одно и то же количество теплоты сообщить поочередно двум различным телам, одно из которых содержит молекул значительно больше, чем другое, то в первом случае теплота распределится между большим числом молекул, так что на долю каждой из них придется меньшее количество теплоты, и средняя кинетическая энергия молекул возрастет меньше, чем во втором случае. Другими словами, если в теле, которому сообщают теплоту, молекул много, температура возрастет незначительно. Наоборот, если молекул мало, то подъем температуры велик.