Физика для любознательных. Том 1. Материя. Движени - Страница 54

Способы передачи теплоты

Предлагаемые ниже опыты снабжены подробными инструкциями и дают мало возможностей для экспериментирования. Их истинная цель состоит в том, чтобы предоставить широкое поле для размышлений и выводов. Опыты можно проделать в начале курса, так как для них требуется лишь общее представление о теплоте (дополненное приведенными здесь замечаниями). Не обязательно ждать опытов по измерению теплоты, предложенных в гл. 27.

Введение

Работа в научной лаборатории весьма многогранна — от точного измерения определенных величин или испытания определенных веществ до тщательно спланированного всестороннего исследования некоторых новых явлений или, наконец, свободного изучения какого-либо вопроса. Именно по последнему пути большей частью развивалась ранняя наука; этот путь полезен и сегодня в тех случаях, когда в науке открывается новая область. Проводя такие исследования, ученые по мере выполнения работы непрерывно корректируют свои планы; они всегда начеку, боясь пропустить неожиданные возможности для постановки новых опытов или какие-то намеки на получение новых знаний. В науке «случай благоприятствует только подготовленному воображению», и сама наука благоприятствует чуткому, гибкому воображению.

Выполняя опыты 6(а)—6(к), вы должны постараться извлечь из своих наблюдений как можно больше сведений относительно процессов передачи теплоты. К некоторым из полученных вами приборов будут приложены определенные инструкции, однако вы можете попросить любые необходимые вам дополнительные приборы и, если позволит время, должны сами придумать и провести с их помощью дальнейшие опыты. Но сначала прочтите следующие пояснения.

Общие сведения о способах передачи теплоты

Теплота может передаваться от одного предмета к другому; конечно, иногда это мешает проведению опытов, но во многих случаях возможность передачи теплоты играет большую роль, например при отоплении домов или в химических производствах. Существуют три различных способа передачи теплоты, весьма напоминающие три способа передачи сообщения: можно передать записку от одного студента другому в аудитории; можно послать специального посыльного и можно передать с помощью звука.

Теплопроводность. Когда теплота передается от одной части вещества к соседней без видимого перемещения вещества, этот процесс называют теплопроводностью. Теплота проходит вдоль кочерги от раскаленного докрасна конца к более холодному или поднимается вверх по серебряной ложке, опущенной в кофе.

С точки зрения мира атомов и молекул, который будет подробно рассмотрен позже, более горячие частицы вещества расталкивают своих менее подвижных соседей, передавая им тем самым молекулярное движение, которое и называют теплотой. В жидкостях и газах процесс состоит просто в последовательной передаче энергии при столкновениях более «богатых» («горячих») молекул с более «бедными». В твердых телах колебания молекул распространяются благодаря упругим силам. (Современная теория иногда рассматривает эту медленную диффузию теплоты в твердом теле как случай объединения волн в группу, которая медленно движется в соответствии с определенными правилами квантовой механики.)

Конвекция. Когда часть горячего вещества движется как единое целое, перенося тем самым свою теплоту в другую область, такой процесс называют конвекцией. Например, конвекцией можно назвать перенос раскаленной кочерги по комнате, если только этот случай вообще надо как-то называть, но обычно этот термин применяют к тепловым потокам, переносящим теплоту в текучих телах; при этом в общем течении участвует также холодный поток, движущийся в обратном направлении. В этом смысле конвекция существует в жидкостях и газах, но отсутствует в твердых телах. Примером огромного конвективного потока является ветер.

Когда при нагревании воды или воздуха в них образуется восходящее течение, люди говорят: «Горячая вода поднимается кверху» или «Горячий воздух стремится вверх». Однако с научной точки зрения эти заявления неудачны. Они просто догматически повторяют увиденное. Если их понимать буквально, эти заявления явно неверны, но их можно видоизменить, придав им смысл. Горячий кофе не «выпрыгивает» из чашки, и горячий воздух сам по себе стремится вверх не в большей мере, чем пробка, лежащая на столе. Но пробка всплывет, если ее погрузить под воду и там отпустить, и именно в этом ключ к правильному пониманию природы конвекционных потоков. Горячая вода, окруженная со всех сторон холодной, выталкивается вверх действием окружающей более плотной воды; это просто частный случай всплывания. Горячие газы выталкиваются в трубу давлением находящегося снаружи более плотного холодного воздуха. Один поток движется вверх, другой вниз, и часто они образуют круговое течение. [Обычно вверх движется более теплая часть вещества, но это не всегда. Вода расширяется и делается менее плотной при нагревании от 4 до 10 °C и далее до точки кипения. Но ниже 4 °C поведение воды необычно. При нагревании от 0° (растаявший лед) до 4 °C вода сжимается, хотя и очень мало, всего на 0,013 %. Как эта особенность поведения воды влияет на судьбу озера, когда вода на его поверхности охлаждается ледяными ветрами или нагревается на солнце?]

Излучение. Теплота может передаваться еще одним способом; точнее говоря, при этом теплота исчезает в одном месте и снова появляется в другом. Такое распространение теплоты происходит чрезвычайно быстро и строго прямолинейно, и его называют «излучением» или «радиацией» (от латинского слова «радиус», обозначающего спицу в колесе). Хотя ученые называют этим термином любой поток, который прямолинейно расходится во все стороны, подобно спицам колеса, мы употребляем его здесь для обозначения процесса переноса тепла от горящего огня к нам. К проявлениям этого же процесса относится нагревание под действием солнечных лучей, которые переносят тепло через миллионы километров пустоты, и нагревание под действием видимого и невидимого света ламп. Таким образом, мы имеем дело с процессом, при помощи которого теплота может передаваться через пустоту, а также через стекло, ледяную воду и пр. Едва ли это теплопроводность или и конвекция в том виде, в каком мы их описали. Это, собственно, даже не «путешествие» теплоты, потому что вещество, сквозь которое она проходит, остается ненагретым. Об этом хорошо говорит тот поразительный факт, что в качестве зажигательного стекла для собирания солнечных лучей можно использовать линзу из льда, и при этом лед не тает. Последующие опыты показывают, что все виды такого излучения являются электромагнитными волнами, к которым относится и свет. Можно представить себе, что горячий источник за счет части своей теплоты создает волны, которые путешествуют до тех пор, пока не попадут в приемник, где поглощаются и снова создают тепло.