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

Как измерять энтропию, мы разобрались. Давайте теперь обсудим, почему она все время увеличивается. А дело тут опять в чистой статистике. Из-за постоянного движения молекул (или, в другом примере, постоянного перемещения предметов на столе в процессе нашей жизнедеятельности) молекулы все время сталкиваются, разлетаются, обмениваются энергией (предметы перемещаются, меняются местами или скапливаются в отдельных частях стола). И всё это происходит абсолютно случайным образом. Так что в итоге распределение предметов может оказаться каким угодно, т. е. может реализоваться любое микросостояние. А если все микросостояния равновероятны, то вероятность получить одно конкретное «все предметы на своих местах» будет стремиться к нулю. В то время как с гораздо большей вероятностью будут реализованы все остальные состояния. Поэтому даже самый идеальный порядок через какое-то время превращается в хаос (если, конечно, не прилагать дополнительные усилия по поддержанию порядка – но мы же рассматриваем изолированную систему). Просто потому, что количество способов реализовать хаос значительно больше количества способов реализовать порядок, тем более идеальный. И именно поэтому детям так сложно объяснить, как навести порядок в комнате – ведь для его создания нужно абсолютно все вещи разложить по своим местам, а не только некоторые.

Вопрос 29. Как работает микроволновка и почему она нагревает?

Микроволновки или СВЧ-печи стали уже привычным атрибутом современной кухни. Тем не менее вокруг них до сих пор существует множество мифов. Кто-то говорит, что они излучают радиацию, кто-то предупреждает о разрушении питательных веществ в еде, а можно даже встретить сообщения о том, что микроволновые печи «портят ДНК пищи, так что человеческий организм не может ее распознать». Так ли это на самом деле, мы поймем, когда разберемся в принципах работы СВЧ-печей.

Во-первых, что значит СВЧ? Это аббревиатура, сокращенное обозначение сверхвысоких частот – области спектра электромагнитных волн с частотами от 300 МГц до 300 ГГц (или с длинами волн от 1 м до 1 мм)[41]. Другое их название – микроволны, поэтому печи также называют микроволновыми. Сами микроволны обладают относительно небольшой энергией, они не способны разрушать атомы, превращая их в ионы. Так что микроволны никак нельзя назвать радиоактивными[42].

Но как эти микроволны могут что-то разогреть? На самом деле СВЧ-печи могут разогреть далеко не всё, а только продукты, содержащие воду. Так происходит потому, что излучатель микроволновки (он называется магнетрон) испускает микроволны, которые воздействуют в основном на молекулы воды. Мы уже знаем, что молекулы любого вещества находятся в постоянном хаотическом движении. И вода не исключение. Сами по себе молекулы воды электрически нейтральны (суммарный заряд равен нулю). Однако их положительные и отрицательные заряды расположены несимметрично, они разнесены в противоположные стороны, так что молекулы воды могут взаимодействовать с внешним электрическим полем. Так вот, микроволна, проходя рядом с такой молекулой, захватывает ее своим электрическим полем[43] и заставляет вибрировать с частотой этой микроволны (около 2,5 млрд раз в секунду!), т. е., по сути, разгоняет молекулу, придавая ей дополнительную кинетическую энергию. А если молекулы воды начинают двигаться быстрее, то на макроуровне это будет отражаться в повышении температуры. То есть микроволновка разогревает воду не за счет теплопередачи, как, к примеру, газовые или электрические плиты, а за счет излучения. И поскольку микроволны могут проникать внутрь вещества (примерно на 1–2 см), то предметы в микроволновке могут разогреваться не только снаружи, но и изнутри. Могут ли при таком воздействии разрушаться питательные вещества? Конечно! Но не более, чем при любой другой термической обработке пищи. Потому что единственное, что происходит с пищей в микроволновке, это разогрев[44].

Почему же тогда в микроволновку нельзя класть металлические предметы? А дело тут в том, что у металлов молекулы устроены иначе. Между молекулами металлов, в отличие от молекул воды, находится большое количество свободных электронов. Когда электромагнитная волна проходит рядом, эти электроны начинают разгоняться и хаотично двигаться с бешеными скоростями. И может так случиться, что они соберутся на каком-то одном участке поверхности металлического предмета. Это обязательно приведет к ионизации воздуха вблизи такого участка, и произойдет электрический разряд, иначе говоря, будет сильно искрить.

Еще одна опасность, подстерегающая пользователей, возникнет, если надолго включить пустую микроволновку. Если в работающей СВЧ-печи вообще ничего не будет и ничто не сможет поглотить излученные магнетроном микроволны, то они будут накапливаться в камере печи и постепенно возвращаться обратно в магнетрон, из-за чего возникнет перегрузка и он может выйти из строя. Поэтому ни в коем случае нельзя включать микроволновку пустой.

Вопрос 30. Почему железо светится, если его нагреть?