Топло, топло, студено - Научете физика!
В горещите летни дни ни става много горещо. Ако тичаме боси на плажа, усещаме нагорещен сатър, той буквално изгаря стъпалата ни. В жегата е много приятно да се разхладите в реката или морето, не е зле да близнете попче. Чудили ли сте се защо някои тела са горещи, а други студени? И какво изобщо е топлина? Нека се опитаме да отговорим на тези въпроси заедно.
Известно е, че всички тела около нас са изградени от атоми. Знаем, че веществата се намират в три агрегатни състояния – твърдо (кристали), течно и газообразно. Те се различават един от друг по своята атомна структура. В кристалите атомите са подредени в определен ред много близо един до друг. В течностите атомите също са близо един до друг; но вече не са толкова тясно свързани и могат да се движат свободно. В газовете атомите са разположени на голямо разстояние един от друг и са почти напълно несвързани.
Кристалите, течностите и газовете обаче могат да бъдат горещи или студени. Камъче, лежащо на слънце, или нагрята ютия са горещи. Но същото камъче, лежащо на дъното на потока, или изключената ютия, стояща в килера, са студени. Къпем се в топла и студена вода. През лятото духа топъл вятър, а през зимата - студен, мразовит. Каква е разликата между топли тела и студени тела? Като че ли нещо се случва вътре в тях, ако един път са студени, друг път са топли.
Разглеждайки атомния строеж на телата, за простота ние умишлено пропуснахме един много важен факт: всички атоми - в кристали, в течности и в газове - са в постоянно движение. Те се колебаят, "скачат" или се втурват напред. В газовете атомите "бягат" произволно, те се сблъскват един с друг и се разпръскват в различни посоки. Изглежда, че играят на етикет. В течности между отделни атомиима много по-малко свободни пространства, но атомите също са подвижни, те се движат един спрямо друг, раздалечавайки съседите си. Никой от тях не може да седи мирен. В кристалите атомите са по-малко подвижни и вече не виждаме хаотичното движение на всеки от тях. Движат се организирано, на групи, сякаш се държат за ръце. Кристалите се характеризират с вълново движение на частиците. И точно това непрекъснато движение на атомите допринася за факта, че някои тела са топли, докато други са студени.
Представете си две чаши, една със студена вода и една с гореща вода. Нека погледнем вътре в тях, с перфектен микроскоп, в студена вода молекулите, всяка от които се състои от един кислороден атом и два водородни атома, се движат много лениво. Те са летаргични и с ниска енергия. Но в чаша гореща вода молекулите скачат като "попарени". Те имат огромно количество енергия. Следователно температурата на водата зависи от това колко енергични са молекулите и колко бързо могат да се движат. Наблюдаваме подобно явление при твърди вещества и газове. Във всяко горещо тяло атомите или молекулите се движат много бързо. И обратно, в студените тела атомите са лениви и неактивни.
Сега да видим какво се случва, когато се нагрее тяло, например метален прът? Ако е студено, тогава атомите, от които се състои, вибрират спокойно. Като нагреем единия край на пръта над спиртна лампа, забелязваме, че целият прът няма да се затопли веднага. Първоначално атомите ще осцилират по-бързо само в края, когато нагреем. И едва по-късно, когато се сблъскат със своите съседи, те ще започнат да пренасят енергията си все по-далеч и по-далеч. След известно време другият край на пръта, който държим, също ще се нагорещи.
Не всички телапровеждат топлина еднакво. Някои от тях се нагряват много бавно, тъй като топлината не се разпространява добре в тях. Най-добра топлопроводимост имат металите, като сред тях са среброто и медта. Неметалните твърди вещества провеждат топлината по-зле, течностите са още по-зле, а газовете са много лоши. Мисля, че всеки разбира защо. Всъщност в кристали и течности атомите, разположени близо един до друг, могат свободно да прехвърлят енергията си, докато в газовете преносът на енергия става само когато атомите се сблъскат и те трябва да преодолеят значителни свободни пространства. Ето защо топлината в газовете се разпространява много бавно.
Всеки ден се сблъскваме с материали с различна топлопроводимост. Например дръжката на ютията или тигана не трябва да провежда топлина добре, в противен случай не бихме могли да държим тези предмети в ръцете си. Ето защо е бакелит. Метална чаша с горещ чай е много трудна за задържане в ръцете ви, но чаша от фаянс със същия горещ чай изобщо не изгаря ръцете ви.
И как човек получава усещане за топлина или студ? Когато докоснем предмет с ръката си, атомите, от които е изграден, обикновено вибрират по-бързо или по-бавно от атомите в пръстите ни. В първия случай те ще искат да се откажат от топлината си и пръстите ще се нагорещят. Във втория случай, т.е. ако атомите вибрират по-бавно, те ще се опитат да отнемат малко топлина от ръката ни. Нашите пръсти имат специални сензори - малки "термометри", които измерват температурата много точно и изпращат информация до мозъка. Благодарение на тях веднага разпознаваме дали тялото, което докосваме, е загрято повече или по-малко от ръката ни. Човешката кожа е много чувствителна към температурни разлики и е в състояние да различи минималната разлика - около 0,01°C.
Въпреки това, оценката на телесната топлина на допир е многосубективни и често подвеждащи. Това, което един човек нарича горещо, друг може да изглежда само топло. За да проверите това, направете следния експеримент. Поставете три съда с вода: единият с гореща вода, вторият със студена вода и третият с топла вода. След това потопете едната си ръка в съд с гореща вода, а другата ръка в съд със студена вода. Малко по-късно потопете двете си ръце в съд с топла вода. Как бихте оценили температурата на водата в него? С едната ръка ще усетим, че водата е студена, а с втората, че е топла.
След като вече знаем защо телата са топли и студени, представете си вода, нагрята в някакъв съд. Тъй като водните молекули се нагряват, те вибрират все по-бързо и по-бързо, все по-често се сблъскват със съседни молекули, започват да се раздалечават. Всеки от тях се опитва да заеме възможно най-много място. Ето защо при нагряване обемът на водата се увеличава. Освен това, колкото по-висока е температурата.
Ако сега плътно затворим нашия съд с капак с малък изход и вмъкнем в него тънка тръба и я напълним с вода, ще получим добре познат ви уред ... термометър. Колкото по-висока е температурата на водата, толкова по-голям е нейният обем и толкова по-високо се издига колоната течност в стъклената тръба. По височината на колоната можем да определим температурата на водата. Вярно е, че в истинските термометри вместо вода се използва живак или спирт, но принципът им на действие е същият. Ще говорим за това защо термометрите не се пълнят с вода следващия път.
Peter Slodovy списание „Хоризонти на технологиите за деца“