Первоначала вещей
(Очерк о строении вещества) - Кудрявцев Борис Сергеевич - Страница 8

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.

Обычно количество вещества измеряют в граммах. В одном грамме различных газов содержится разное число молекул, а потому для одинакового повышения их температуры необходимо разное количество теплоты.

Количество теплоты, необходимое для нагревания 1 грамма какого-либо вещества на 1 градус, условились называть удельной теплоемкостью этого вещества.

Удельную теплоемкость воды приняли равной единице.

Количество теплоты, необходимое для нагрева 1 грамма воды на 1 градус, назвали малой калорией. Это и есть единица измерения количества теплоты. Тысячу малых калорий называют большой калорией, или килограмм-калорией.

При сгорании различных веществ выделяется разное количество теплоты. Все знают, что если топить печь каменным углем, то тепла будет больше, чем если ту же печь топить дровами. Это и понятно, потому что при сгорании одного грамма древесины выделяется от 4 000 до 4 800 калорий, а при сгорании одного грамма каменного угля — от 7 000 до 8 000 калорий, то-есть почти в два раза больше.

Особенно много теплоты выделяется при ядерных превращениях, которые происходят в атомном котле или атомной бомбе. При расщеплении 1 килограмма урана в атомном котле выделяется столько же теплоты, сколько при сгорании 20 000 тонн угля! Это поистине огромное количество теплоты. Атомная силовая станция мощностью в 100 000 лошадиных сил потребляет в день всего от 75 до 350 граммов урана!

Удельная теплоемкость газа зависит не только от массы его молекул, но и от их строения. Это легко пояснить.

Молекула, состоящая из одного атома, может только перемещаться. Атом настолько мал, что не имеет смысла говорить о его вращении.

Напротив, когда мы имеем дело с молекулой, состоящей из двух атомов, игнорировать ее вращение нельзя. Кинетическая энергия двухатомной молекулы будет уже складываться из кинетической энергии поступательного движения и кинетической энергии вращения. Поэтому теплоемкость двухатомных газов, при одной и той же массе молекул, будет больше, чем одноатомных, а трехатомных — больше, чем двухатомных.

Изучение теплоемкости различных веществ играет большую роль в процессе познания строения вещества. Измеряя теплоемкость тел, можно выяснить характер движения, которое совершают мельчайшие частицы вещества — атомы и молекулы. Измеряя теплоемкость какого-либо тела в различных условиях, можно проникнуть в тайны строения вещества.

Газы и пары играют важную роль в различных машинах. Водяной пар толкает поршень в цилиндрах паровых машин, приводит в быстрое движение колеса турбин. Газы, образующиеся при сгорании топлива, заставляют работать различные двигатели внутреннего сгораний, приводя в движение автомобили, тракторы, самолеты. Вылетающие из реактивного двигателя газы сообщают большие скорости реактивным самолетам. Газы, получающиеся при взрыве пороха, придают огромные скорости снарядам различных орудий.

Для того чтобы строить хорошие турбины, паровозы, тракторы, мощные пушки, самолеты, — всюду необходимо знание свойств газов. Понять и объяснить свойства газов позволяет движение молекул. Знание законов их движения дает возможность предвидеть поведение газов в различных условиях.

Разберемся в этом.

Если уменьшать объем, занимаемый каким-либо газом, газ оказывает этому сопротивление. Совершенно отчетливо сопротивление газа можно ощущать при накачивании воздухом велосипедной шины.

Сопротивление газа сжатию называют упругостью. Упругость — одно из основных свойств всех газов.

Как объяснить упругость, в чем ее причина?

Попробуем ответить на этот вопрос, пользуясь нашими знаниями о строении газов. Представим себе такой опыт. У обычных весов, на которых взвешивают хлеб, одна чашка плоская, а другая в виде тарелки. Выставим весы на дождь и над вогнутой чашкой устроим навес так, чтобы дождевые капли на нее не попадали (рис. 16).

^{Рис. 16. Дождь давит на открытую чашку весов с силой, которую можно измерить.}

Дождевые капли будут ударяться об открытую плоскую чашку весов и стекать с нее. Удары отдельных капель, складываясь, заставят чашку весов опуститься. Чтобы привести весы в равновесие, надо положить на вторую чашку гири. Уравновесив весы и подсчитав вес положенных гирь, мы определим силу, с которой дождь давит на открытую чашку весов.

Если теперь заменить плоскую чашку чашкой того же веса, но больших размеров, то для уравновешивания весов понадобится и больше гирь. Следовательно, один и тот же дождь давит на большую чашку весов с большей силой. Поэтому если мы хотим указанным способом охарактеризовать силу, с которой давят падающие капли дождя, то необходимо условиться, каких размеров следует брать плоскую чашку. Проще всего принять поверхность такой условной чашки равной одному квадратному сантиметру.

Если для поддержания весов в равновесии в описанном опыте пришлось положить на закрытую чашку 400 граммов, а поверхность открытой чашки была 20х20=400 квадратных сантиметров, то, значит, дождь давил на чашку с силой, равной 400 г:400 см², то-есть с силой в 1 грамм на каждый квадратный сантиметр поверхности чашки.

Силу, приходящуюся на единицу поверхности, называют давлением, и можно сказать, что давление дождя в описанном опыте равнялось 1 грамму на квадратный сантиметр поверхности.

Какое же отношение имеет сказанное к свойствам газов? Самое непосредственное!

Мы знаем, что молекулы газов беспорядочно движутся со скоростями, близкими к скорости полета пули. При движении молекулы сталкиваются со своими соседями и ударяются о стенки сосуда, в который заключен газ. Если наполнить бутылку обычным, не сжатым воздухом, то число ударов, которое испытывает каждый квадратный сантиметр поверхности бутылки в 1 секунду, выразится цифрой с 22 нулями. Это очень большое число. Если бы такое число просяных зерен положить рядышком одно к другому, то можно было бы сто раз протянуть эту дорожку из зернышек до одной из ближайших звезд и обратно.

Таким образом, на стенки бутылки непрерывно падает чрезвычайно частый дождь мельчайших «капелек» вещества — молекул. Частицы газа как бы бомбардируют стенки сосуда.

Удары отдельных молекул так слабы, что не отмечаются ни приборами, ни нашими органами чувств, но они так часто следуют друг за другом, что, сливаясь вместе, производят давление, которое уже нетрудно измерить приборами или ощутить непосредственно.

От чего зависит давление газа?

Очевидно, что чем больше молекул ударится в единицу времени о какую-либо поверхность, тем большее давление будет сна испытывать. Кроме того, давление зависит от скорости движения молекул газа. Чем быстрее движутся молекулы, тем сильнее они ударяются о поверхность и тем больше будет производимое ими давление.