Жарко, тепло, холодно - Вчи фізику!
У спекотні літні дні нам буває дуже спекотно. Якщо на пляжі ми бігаємо босоніж, то відчуваємо нагрітий тесак, він буквально палить підошви ніг. У спеку дуже приємно охолодитись у річці чи морі, непогано полизати ескімо. А чи замислювалися ви колись над тим, чому одні тіла гарячі, а інші холодні? І взагалі, що таке теплота? Давайте разом спробуємо відповісти на ці запитання.
Відомо, що всі тіла, що нас оточують, складаються з атомів. Ми знаємо, що речовини бувають у трьох агрегатних станах — твердому (кристали), рідкому та газоподібному. Вони відрізняються між собою атомною будовою. У кристалах атоми розташовані у порядку дуже близько одне одного. У рідинах атоми теж розташовані близько один до одного; але не так тісно пов'язані між собою і можуть вільно переміщатися. У газах атоми розташовані великій відстані один від одного і майже зовсім не пов'язані між собою.
Однак і кристали, і рідини, і гази можуть бути гарячими та холодними. Камінь, що лежить на сонці, або нагріта праска - гарячі. Але той же камінчик, що лежить на дні струмка, або вимкнена праска, що стоїть у шафі, — холодні. Ми миємося гарячою та холодною водою. Влітку дме теплий вітер, а взимку холодний, морозний. Чим відрізняються теплі тіла від холодних? Усередині їх, мабуть, щось трапляється, якщо один раз вони холодні, а вдруге — теплі.
Розглядаючи атомну будову тіл, для спрощення ми навмисно промовчали про дуже важливий факт: усі атоми — і в кристалах, і в рідинах, і в газах — перебувають у безперервному русі. Вони вагаються, «стрибають» або мчать уперед. У газах атоми «бігають» хаотично, вони зіштовхуються між собою і розлітаються у різні боки. Складається враження, що вони грають у «салочки». У рідинах між окремими атомамизначно менші вільні простори, але атоми теж рухливі, вони переміщаються щодо один одного, розштовхують сусідів. Жоден із них не може спокійно всидіти на місці. У кристалах атоми менш рухливі, і ми не бачимо хаотичного руху кожного їх. Вони переміщаються організовано, групами, ніби тримаючись за руки. Для кристалів характерний хвильовий рух частинок. І саме цей безперервний рух атомів сприяє тому, що одні тіла бувають теплими, а інші холодними.
Уявіть собі дві склянки, одну з холодною водою, а другу з гарячою. Заглянемо всередину їх, користуючись досконалим мікроскопом, у холодній воді молекули, кожна з яких складається з одного атома кисню та двох атомів водню, рухаються дуже ліниво. Вони мляві та малоенергійні. Натомість у склянці із гарячою водою молекули стрибають, як «ошпарені». Вони мають величезний запас енергій. Отже, від того, наскільки енергійними є молекули і як швидко вони можуть пересуватися, залежить температура води. Аналогічне явище ми спостерігаємо у твердих тілах та газах. У будь-якому гарячому тілі атоми чи молекули рухаються дуже швидко. І, навпаки, в холодних тілах атоми ліниві та малорухливі.
Тепер давайте простежимо, що відбувається при нагріванні якого-небудь тіла, наприклад, металевого стрижня? Якщо він холодний, то атоми, з яких він складається, коливаються спокійно. Підігріваючи один кінець стрижня над спиртовкою, ми помічаємо, що не одразу весь стрижень буде теплим. Спочатку атоми швидше коливатимуться лише на тому кінці, який ми підігріваємо. І лише пізніше, зіткнувшись із сусідами вони почнуть передавати свою енергію дедалі далі. Через деякий час і другий кінець стрижня, за який ми тримаємо, також стане гарячим.
Не всі тілаоднаково проводять тепло. Деякі їх нагріваються дуже повільно, оскільки тепло погано поширюється у яких. Найкращою теплопровідністю мають метали, а серед них — срібло та мідь. Гірше проводять тепло неметалеві тверді тіла, ще гірше рідини, зовсім погано гази. Думаю всім зрозуміло чому. Адже в кристалах і рідинах атоми, розташовані близько один до одного, можуть вільно передавати свою енергію. А в газах передача енергії відбувається лише при зіткненні атомів, причому вони мають подолати значні вільні простори. Ось чому тепло у газах поширюється дуже повільно.
Щодня ми зустрічаємо матеріали із різною теплопровідністю. Наприклад, ручка праски чи сковорідки має погано проводити тепло, інакше ми не могли б тримати ці предмети в руках. Саме тому вона бакелітова. Металевий кухоль з гарячим чаєм дуже важко утримати в руках, зате фаянсова чашка з таким же гарячим чаєм зовсім не обпалює рук.
А як у людини виникає відчуття тепла чи холоду? Коли ми торкаємося рукою до якогось предмета, то зазвичай атоми, з яких він побудований, коливаються швидше чи повільніше, ніж атоми в наших пальцях. У першому випадку вони захочуть віддати частину свого тепла і пальці нагріються. У другий випадок, тобто. якщо атоми коливаються повільніше, вони намагатимуться забрати трохи тепла від нашої руки. У наших пальцях розташовані спеціальні датчики — маленькі «термометри», що дуже точно вимірюють температуру і посилають інформацію в мозок. Завдяки їм ми відразу дізнаємося, більш-менш ніж наша рука нагріте тіло, до якого ми торкаємося. Шкіра людини дуже чутлива до різниці температур і здатна відрізнити мінімальну різницю близько 0,01 °С.
Однак оцінка нагрітості тіла на дотик дужесуб'єктивна і часто виявляється оманливою. Те, що одна людина називає гарячою, другій може здатися лише теплим. Щоб переконатися в цьому, зробіть наступний досвід. Поставте три посудини з водою: одна — з гарячою, друга — з холодною, а третя — з теплою. Потім опустіть одну руку в посудину з гарячою водою, а другу - в посудину з холодною водою. Трохи згодом опустіть обидві руки в посудину з теплою водою. Як ви оціните температуру води у ньому? Однією рукою ми відчуємо, що вода холодна, а другою, що тепла.
Тепер, коли ми вже знаємо, чому тіла бувають теплими і холодними, уявіть собі воду, що підігрівається в якійсь посудині. У міру нагрівання молекули води коливаються все швидше та швидше, вони все частіше стикаються із сусідніми молекулами, починають розштовхуватися. Кожна з них намагається зайняти якнайбільше місця. Саме тому при нагріванні збільшується обсяг води. Причому тим більше, що вища температура.
Якщо зараз ми щільно закриємо нашу посудину кришкою з невеликим вихідним отвором, а в нього вставимо тонку трубку і заповнимо її водою, то отримаємо добре відомий вам прилад термометр. Чим вище температура води, тим більше її об'єм і тим вище піднімається стовпчик рідини у скляній трубці. По висоті стовпчика ми зможемо визначити температуру води. Щоправда, у справжніх термометрах замість води застосовують ртуть чи спирт, але їх принцип дії такий самий. Про те, чому термометри не заповнюють водою, ми поговоримо наступного разу.
Петро Слодови журнал “Горизонти техніки для дітей”