65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё

Давайте теперь будем увеличивать температуру, тогда молекулы вещества станут двигаться все быстрее и быстрее, а их кинетические энергии также будут возрастать. Так мы можем дойти до 100 °C, 200 °C и даже 1 000 °C. Твердые тела при повышении температуры начнут плавиться, превращаясь в жидкости. Эти жидкости при дальнейшем нагревании закипят и начнут испаряться. Например, температура плавления железа – 1 538 °C, а вольфрама – 3 422 °C. Получается, что в сторону увеличения температуры мы можем уйти гораздо дальше, чем в сторону охлаждения. Но что будет, если продолжать нагревать вещество, или (как мы теперь понимаем) продолжать разгонять его молекулы? В своем хаотическом движении они всё сильнее будут сталкиваться друг с другом, так что при определенных скоростях начнет разрушаться структура этих молекул, они распадутся на атомы. При дальнейшем увеличении температуры атомы в столкновениях тоже будут разрушаться, от них начнут отваливаться электроны. Вся эта «каша» из атомов, электронов и ионов (т. е. атомов, от которых оторвали один или несколько электронов) называется плазмой, это четвертое агрегатное состояние вещества. И ничто нам не мешает продолжать нагревать плазму дальше, разогревая ее все сильнее. Самая горячая плазма, которую удалось на сегодняшний день получить, была разогрета до температуры свыше 10 триллионов градусов. И это, разумеется, не предел.

Вопрос 22. Какая температура в космосе?

Этот вопрос очень часто приходится слышать, когда рассуждаешь о тепловых процессах. Интерес к нему также подкрепляется большим количеством фантастических фильмов и мультфильмов, в которых показывают, как различные предметы мгновенно замерзают, попав из космического корабля в открытый космос. Но так ли холодно в космосе на самом деле? И сколько там на самом деле градусов?

Для ответа на эти вопросы нам нужно вспомнить, что температура – это средняя кинетическая энергия молекул вещества (см. предыдущую главу). Значит, вопрос о температуре имеет смысл лишь тогда, когда речь идет о каком-то веществе, состоящем из молекул. Но когда мы хотим узнать температуру пустого пространства, то вопрос сразу обессмысливается. Нет никакой температуры у пространства. У воздуха в банке температура есть, и она равна средней кинетической энергии всех молекул воздуха. А если выкачать из этой банки весь воздух, создав там абсолютный вакуум, то никакой температуры у этого вакуума быть не может. Мы даже не можем сказать, что его температура равна нулю, поскольку для этого всё равно потребуется наличие там молекул, кинетическая энергия которых должна равняться нулю. Но в вакууме никаких молекул нет (мы ведь выкачали из банки весь воздух).

Тем не менее ученые рассуждают о температуре Вселенной. Но это совсем другая температура. Она характеризует не степень нагретости космоса (ведь мы не можем нагреть пустое пространство), а частоту реликтового излучения, оставшегося после Большого взрыва. Подробнее об этом излучении мы поговорим в главе «Теория Большого взрыва – что и где вообще взорвалось?» (стр. 332).

Вопрос 23. Что такое давление и как газы вообще могут давить?

Обратимся теперь к следующему понятию термодинамики – давлению. Изначально понятие давления возникает еще в классической механике и никак не связывается с тепловыми процессами. Рассмотрим такой пример: человек, идя в ботинках по рыхлому снегу, постоянно проваливается. Однако если он наденет лыжи, то проваливаться перестанет и сможет легко передвигаться по снежной поверхности.

Почему так происходит? Ведь и в первом, и во втором случае человек воздействует на снег одной и той же силой (своим весом), но эффект этого воздействия разный. А отличие тут в площади, на которую он оказывает давление. Вес тела распределяется по всей площади соприкосновения со снегом. И поскольку площадь подошв ботинок примерно в 20 раз меньше площади поверхности лыж, то на единицу площади ботинка приходится в 20 раз бóльшая сила, чем на единицу площади лыжи. Поэтому ботинки продавливают снег, а лыжи нет. То есть результат действия силы зависит не только от величины этой силы, но и от площади поверхности, на которую эта сила воздействует. А отношение силы к площади поверхности называется давлением.

Именно поэтому острые предметы способны проколоть или порезать даже очень прочные материалы – ведь чем острее предмет (например, нож), тем меньше площадь его соприкосновения с материалом и тем большее давление он будет создавать. Так маленький комар, приложив даже микроскопическое усилие, способен проткнуть своим хоботком[34] человеческую кожу, которая вообще-то представляет собой довольно прочный материал.

Противоположный пример проявления давления мы можем найти в автотехнике. Тяжелые грузовики оснащают большими и широкими колесами, чтобы снизить давление, которое они оказывают на дорожное полотно. Потому что чем больше площадь опоры, тем меньшая сила приходится на единицу этой площади и тем меньше будет давление.