120 детских вопросов о физике и окружающем мире

Казалось бы, что за странный вопрос – лёд легко расплавить, просто взяв его в руки. Однако спешим удивить вас, сказав, что лёд расплавить сложнее, чем большинство металлов! Сейчас мы разберёмся, в чём тут дело, и вы больше не будете удивляться.

Для измерения способности веществ плавиться используется специальная физическая величина – удельная теплота плавления. Она говорит о том, сколько тепла следует передать единице массы вещества для полного его плавления (то есть, для разрушения его кристаллической решётки). Так вот, удельная теплота плавления льда составляет 335 кДж/кг, железа – 277 кДж/кг, чугуна – 100 кДж/кг, а свинца – и вовсе 25 кДж/кг. Выходит, что лёд расплавить сложнее, чем железо, а тем количеством теплоты, которое потребуется для плавления 1 кг льда можно расплавить больше 13 кг свинца!

Но, скажете вы, как же так? Почему лёд плавится просто в руках, а металлы приходится сильно нагревать? Даже свинец с трудом плавится на обычной кухонной плите, а железо и вовсе приходится нагревать почти до 1400 градусов.

Это не ошибка и не парадокс, а лишь путаница в понятиях удельной теплоты плавления и температуры плавления. Удельная теплота плавления учитывает только то количество теплоты, которое следует передать веществу для полного расплавления при температуре плавления. И в эту величину не входит теплота, необходимая для нагрева вещества до температуры плавления!

Теперь понятно, почему кусок железа не плавится в ваших руках – сначала его нужно нагреть до 1400 градусов, а уже затем передать 277 кДж на каждый килограмм для полного плавления. А температура плавления льда лежит на уровне 0 градусов, поэтому он начинает плавиться даже в ваших руках.

Но это нисколько не умоляет того факта, что разрушить кристаллическую решётку льда сложнее, чем железа и многих других металлов.

Легко ли добыть огонь трением?

Все мы знаем о возможности добывания огня трением – этим способом пользовались наши доисторические предки, распространён он и среди первобытных народов современности. Наверняка, и вы когда-нибудь пробовали зажечь две палочки энергичным трением друг о друга. И у вас, конечно же, ничего не получилось. Но почему мы не можем сделать то, что делали наши предки, и сегодня с лёгкостью делают многие народы, оторванные от цивилизации?

В сущности, они и не делали того, что пытались сделать вы: огонь добывается не простым трением, а сверлением. И несложный расчёт показывает, что простое трение деревяшек друг о друга силой рук в принципе не может дать огня.

Пусть у нас будут две плоские палки, нижняя из них неподвижна, а верхнюю, расположенную поперёк, мы с частотой 2 хода в секунду двигаем руками. При этом один ход пусть будет большим – 25 см, и мы давим на верхнюю палку с силой 2 кг. Так как коэффициент трения дерева о дерево составляет около 0,4, то действующая сила (2 кг умножаем на коэффициент трения) достигает около 8 Н, а на пути 50 см совершается работа всего 4 Дж (для нахождения работы следует умножить действующие силу на путь действия силы – 8 х 0,5). При этом объём нагреваемого дерева при ширине рабочей части палочки около 1 см составляет около 2,5 см³ (здесь мы принимаем, что дерево прогревается на толщину не более 0,5 мм), а масса – около 1,25 г.

При вышеописанном способе за одну секунду можно нагреть дерево на 1 градус (считается это разделением работы на произведение массы нагреваемого материала и его теплоёмкости – для древесины это 2,4). Однако в действительности этот нагрев мы не будем ощущать – из-за большой площади трущихся частей дерево будет тут же остывать. Чтобы наши палки при таких условиях загорелись, их нужно тереть с частотой и силой, раз в 20 – 30 большей, что превосходит возможности человека.

Всё меняется, если взять не две плоские палки, а заострённую круглую палочку, вставленную в лунку на доске. При вращении этой палочки с помощью простейшего устройства (это может быть лук или даже целая ручная дрель, но можно использовать и просто обмотанную вокруг палки верёвочку) секундное повышение температуры может составлять 20 – 25 градусов. И это тепло практически не покидает лунку, так что огонь можно получить за 10 – 12 секунд (температура возгорания наиболее подходящих пород дерева составляет около 250 °C). Такой результат достигается за счёт многократного уменьшения объёма нагреваемого дерева – при той же работе в 4 Дж и при диаметре палочки 1 см этот объем не превышает 0,16 см³, а масса дерева – 0,075 г.

Один из способов добывания огня сверлением – тетива лука обёрнута вокруг палочки, при движении лука вперёд-назад палочка вращается

Таким образом, добывание огня трением – это вполне достижимая задача, нужно лишь знать наиболее выгодные с точки зрения физики способы трения деревянных палочек.

Почему щёлкает кнут?