Удивительная физика. Магия, из которой состоит мир

Но непросты и переходы из жидкости в газ. Воздух, как и вода, одновременно знаком и загадочен. (Разумеется, газообразная форма воды – это на самом деле не воздух, а пар, то есть воздух, содержащий высокоэнергетические молекулы воды.) Большинством замечательных свойств воздуха в большей или меньшей степени обладают и другие газы, но, поскольку воздух повсеместно присутствует на Земле, именно этот газ используется в большинстве практических приложений. Главным среди его необычных свойств является его невероятная теплоизоляционная способность: одежда согревает благодаря заключенному в ней воздуху; волосяной покров тела создает теплоизолирующий слой воздуха, который позволяет нам выживать в Арктике или сидеть в сауне; пенистые термоизоляционные материалы, используемые в строительстве, тоже работают, удерживая воздух. Вы и сами могли самостоятельно убедиться в превосходных теплоизоляционных свойствах воздуха, если когда-либо слишком долго держали зажженную спичку: вы не ощущаете жар пламени, пока оно не окажется в каком-нибудь миллиметре от вашего пальца. Доминик заметила одно из проявлений магии воздуха, сидя рядом со мною, когда я писал эту книгу. Она попыталась подогреть на плите кружку с чаем, но обнаружила, что вогнутое дно кружки мешает эффективному нагреванию на плите. Однако потом мы поняли, что кружка сделана такой специально и эта особенность полезна. Все кружки имеют вогнутое снизу дно, под которым остается воздух, изолирующий содержимое кружки от поверхности, на которой она стоит (и обычно не дающий этому содержимому остыть). Именно поэтому след, который остается от кружки на столе, имеет форму кольца, а не диска[19]. Яснее всего эта способность воздуха проявляется в аэрогеле – искусственном твердом веществе, почти полностью состоящем из воздуха. Есть знаменитая фотография, на которой цветок лежит на пластинке из аэрогеля толщиной около миллиметра над синим пламенем: цветок остается невысохшим. Кроме того, аэрогель невероятно легок, прозрачен и способен выдерживать вес, во много раз превышающий его собственный (двухграммовый брикет из аэрогеля легко выдерживает вес, в тысячу раз больший). Его применение для теплоизоляции зданий позволяет сэкономить массу места и энергии. К 2011 году поразительные способности аэрогеля были отмечены 15 рекордами в Книге рекордов Гиннесса; многие из них – это попросту практические применения свойств воздуха. А свойства воздуха, как и свойства других газов, порождаются его низкой плотностью.

Газообразная форма любого вещества бывает гораздо менее плотной, чем жидкая. С точки зрения волшебников, это означает, что плотность является примером «параметра порядка» – некоего свойства, существенно изменяющегося при фазовом переходе. Существуют два типа фазовых переходов, и разобраться в них можно, рассмотрев поведение параметров порядка.

Первый тип – это так называемые фазовые переходы первого рода. Они отличаются резким изменением параметра порядка. Предположим, вы кипятите воду. После нагревания жидкой воды до температуры кипения – 100 °C – для ее превращения в газ требуется дополнительная энергия, которую называют скрытой теплотой. Интересно отметить, что для превращения воды, нагретой до 100 °C, нужно приблизительно вдесятеро больше энергии, чем для ее нагревания от комнатной температуры до 100 °C. Если вы готовите напиток, не требующий кипящей воды, – например кофе или зеленый чай, – вы можете сэкономить немало энергии (и следовательно, денег), если выключите чайник по достижении нужной температуры, вместо того чтобы доводить воду до кипения и давать ей остыть. Чтобы увидеть, на что расходуется эта энергия, достаточно заметить, что в течение большей части процесса нагревания чайник остается практически неподвижным, а за несколько секунд до закипания начинает сильно дрожать. Это дрожание, требующее большого количества энергии, – следствие внезапного образования крупных пузырей при превращении жидкости в газ и резком уменьшении плотности.