В знойные летние дни нам бывает очень жарко. Если на пляже мы бегаем босиком, то чувствуем нагретый тесак, он буквально жжёт подошвы ног. В жару очень приятно охладиться в реке или море, неплохо полизать эскимо. А задумывались ли вы когда-нибудь над тем, почему одни тела горячие, а другие — холодные? И вообще что такое теплота? Давайте вместе попробуем ответить на эти вопросы.

Известно, что все окружающие нас тела состоят из атомов. Мы знаем, что вещества бывают в трех агрегатных состояниях — твёрдом (кристаллы), жидком и газообразном. Они отличаются между собой атомным строением. В кристаллах атомы расположены в определенном порядке очень близко друг друга. В жидкостях атомы тоже расположены близко друг к другу; но уже не так тесно связаны между собой и могут свободно перемещаться. В газах атомы расположены на большом расстоянии друг от друга и почти совсем не связаны между собой.

Однако и кристаллы, и жидкости, и газы могут быть горячими и холодными. Камешек, лежащий на солнце, или нагретый утюг — горячие. Но тот же камешек, лежащий на дне ручья, или выключенный утюг, стоящий в шкафу — холодные. Мы моемся горячей и холодной водой. Летом дует тёплый ветер, а зимой — холодный, морозный. Чем же отличаются тёплые тела от холодных? Внутри их, видимо, что-то происходит, если один раз они холодные, а другой раз — тёплые.

Рассматривая атомное строение тел, для упрощения мы намеренно умолчали об очень важном факте: все атомы — и в кристаллах, и в жидкостях, и в газах — находятся в беспрерывном движении. Они колеблются, «прыгают» или мчатся вперёд. В газах атомы «бегают» хаотически, они сталкиваются между собой и разлетаются в разные стороны. Создается впечатление, что они играют в «салочки». В жидкостях между отдельными атомами значительно меньше свободные пространства, но атомы тоже подвижны, они перемещаются относительно друг друга, расталкивают соседей. Ни один из них не может спокойно усидеть на месте. В кристаллах атомы менее подвижны, и мы уже не видим хаотического движения каждого из них. Они перемещаются организованно, группами, как бы держась за руки. Для кристаллов характерно волновое движение частиц. И как раз это непрерывное движение атомов способствует тому, что одни тела бывают тёплыми, а другие — холодными.

Представьте себе два стакана, один с холодной водой, а второй — с горячей. Заглянем внутрь их, пользуясь совершенным микроскопом, в холодной воде молекулы, каждая из которых состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода, движутся очень лениво. Они вялы и малоэнергичны. Зато в стакане с горячей водой молекулы прыгают, как «ошпаренные». Они обладают огромным запасом энергий. Следовательно, от того, насколько энергичны молекулы и как быстро они могут передвигаться, зависит температура воды. Аналогичное явление мы наблюдаем в твёрдых телах и газах. В любом горячем теле атомы или молекулы движутся очень быстро. И, наоборот, в холодных телах атомы ленивы и малоподвижны.

Теперь давайте проследим, что же происходит при нагревании какого-нибудь тела, например, металлического стержня? Если он холодный, значит атомы, из которых он состоит, колеблются спокойно. Подогревая один конец стержня над спиртовкой, мы замечаем, что не сразу весь стержень будет тёплым. Сначала атомы будут быстрее колебаться лишь в том конце, который мы подогреваем. И лишь позднее, при столкновении с соседями они начнут передавать свою энергию всё дальше и дальше. Спустя некоторое время и второй конец стержня, за который мы держим, тоже станет горячим.

Не все тела одинаково проводят тепло. Некоторые из них нагреваются очень медленно, так как тепло плохо распространяется в них. Наилучшей теплопроводностью обладают металлы, а среди них — серебро и медь. Хуже проводят тепло неметаллические твёрдые тела, ещё хуже — жидкости, совсем плохо — газы. Думаю, всем понятно почему. Ведь в кристаллах и жидкостях атомы, расположенные близко друг к другу, могут свободно передавать свою энергию, А в газах передача энергии происходит лишь при столкновении атомов, причём они должны преодолеть значительные свободные пространства. Вот почему тепло в газах распространяется очень медленно.

Ежедневно мы встречаем материалы с разной теплопроводностью. Например, ручка утюга или сковородки должна плохо проводить тепло, иначе мы не могли бы держать эти предметы в руках. Именно поэтому она бакелитовая. Металлическую кружку с горячим чаем очень трудно удержать в руках, зато фаянсовая чашка с таким же горячим чаем вовсе не обжигает рук.

А каким образом у человека возникает ощущение тепла или холода? Когда мы прикасаемся рукой к какому-нибудь предмету, то обычно атомы, из которых он построен, колеблются быстрее или медленнее, чем атомы в наших пальцах. В первом случае они захотят отдать часть своего тепла, и пальцы нагреются. Во втором случае, т.е. если атомы колеблются медленнее, они постараются забрать немного тепла от нашей руки. В наших пальцах расположены специальные датчики — маленькие «термометры» очень точно измеряющие температуру и посылающие информацию в мозг. Благодаря им мы тут же узнаём, более или менее чем наша рука нагрето тело, к которому мы прикасаемся. Кожа человека очень чувствительна к разнице температур и способна отличить минимальную разность — порядка 0,01 °С.

Однако оценка нагретости тела на ощупь очень субъективна и часто оказывается обманчивой. То, что один человек называет горячим, второму может показаться лишь тёплым. Чтобы убедиться в этом, проделайте следующий опыт. Поставьте три сосуда с водой: один — с горячей, второй — с холодной, а третий — с тёплой. Затем опустите одну руку в сосуд с горячей водой, а вторую — в сосуд с холодной водой. Немного спустя опустите обе руки в сосуд с тёплой водой. Как вы оцените температуру воды в нём? Одной рукой мы почувствуем, что вода холодная, а второй, что тёплая.

Теперь, когда мы уже знаем, почему тела бывают тёплыми и холодными, представьте себе воду подогреваемую в каком-нибудь сосуде. По мере нагревания молекулы воды колеблются всё быстрее и быстрее, они всё чаще сталкиваются с соседними молекулами, начинают расталкиваться. Каждая из них старается занять как можно больше места. Вот почему при нагревании увеличивается объём воды. Причём тем больше, чем выше температура.

Если сейчас мы плотно закроем наш сосуд крышкой с небольшим выходным отверстием, а в него вставим тонкую трубку и заполним её водой, то получим хорошо известный вам прибор… термометр. Чем выше температура воды, тем больше её объём и тем выше поднимается столбик жидкости в стеклянной трубке. По высоте столбика мы сможем определить температуру воды. Правда, в настоящих термометрах вместо воды применяют ртуть или спирт, но их принцип действия такой же. О том, почему термометры не заполняют водой, мы поговорим в следующий раз.

Петр Слодовы
журнал “Горизонты техники для детей”