что такое тепло и холод
ТЕПЛО И ХОЛОД
Люди всегда чувствовали тепло и холод, но объяснить, что это такое, оказалось совсем нелегко. Больше двух тысяч лет назад АРИСТОТЕЛЬ утверждал, что это свойства, присущие определённым телам, а другие тела их лишены. Так думали в течение многих веков. Лет двести назад уже считалось, что в нагретом теле содержится особая материя — теплород (подобно тому, как в сладком чае содержится сахар). Но и в это время некоторые учёные, в том числе М. В. ЛОМОНОСОВ, утверждали, что теплота есть движение мельчайших частичек материи.
В начале прошлого века было сделано одно важное открытие. Английский ботаник Броун, рассматривая под микроскопом цветочную пыльцу в капле воды, заметил, что частицы пыльцы как-то беспорядочно движутся. Чем мельче была пыльца и чем теплее вода, тем быстрее двигались частицы. Как потом стало ясно, это МОЛЕКУЛЫ воды, находящиеся в беспрестанном движении, толкают пыльцу. Крупные частицы почти не ощущают этих толчков, а мелкие начинают двигаться. Такое движение по имени открывшего его учёного было названо броуновским. А движение самих молекул воды или любого другого вещества стали именовать «тепловым», потому что оно непосредственно зависит от температуры тела.
Тепловое движение частиц происходит всегда и присуще материи как неотъемлемое её свойство. В жаркую погоду частицы воздуха движутся быстрее, чем в холодную. Когда кипяток остывает, молекулы воды движутся всё медленнее и медленнее. И сколько бы мы ни понижали температуру, движение частиц будет становиться всё более вялым, но полностью не остановится никогда. Даже при температуре, близкой к абсолютному нулю (так называется наименьшая из возможных температур — минус 273°), атомы хоть и еле-еле, но будут двигаться.
Поняв, что такое теплота, учёные смогли объяснить и различие между тремя состояниями вещества: газообразным, жидким и твёрдым. В газе молекулы движутся свободно и совершенно беспорядочно. В жидкости они расположены более тесно, поэтому движутся в основном на одном месте и лишь немного перемешиваются. В твёрдом теле частицы уже совсем тесно связаны со своими соседями и не могут перемещаться, а лишь покачиваются, колеблются.
Когда твёрдое тело нагревают, энергия движения его частиц увеличивается и, наконец, становится так велика, что частицы отрываются друг от друга, и тело плавится. Если дальше нагревать жидкость, её частицы будут двигаться всё быстрее, пока не начнут «улетать»,— жидкость будет испаряться.
Такое представление о тепле и холоде— одно из самых важных для правильного понимания окружающего нас мира.
Что такое холод с точки зрения физики?
Существует ряд очень простых вопросов, ответы на которые кажутся нам столь очевидными, что выдаются автоматически, без подключения мыслительного аппарата.
К примеру, всем, от мала до велика, известно, что такое холод. С точки зрения физики ответ будет далеко не простым, поскольку затронет основополагающие понятия этой науки.
Существует ли холод?
Многим из нас вопрос, существует ли вообще холод, покажется нелепым и бессмысленным. Конечно, холод существует, ведь вы не раз его ощущали и даже испытывали из-за него дискомфорт. Но если посмотреть внимательнее, мы увидим, что понятие холода – это всего лишь производное от понятия тепла: когда тепла много, мы ощущаем жар, когда его недостаточно – чувствуем холод.
Таким образом, с точки зрения физики, холода объективно не существует, это всего лишь недостаточное количество тепла. Согласно одной из легенд, популярных в мире учёных, впервые на эту проблему обратил внимание Альберт Эйнштейн, причём ещё в то время, когда был студентом.
При помощи собственных ощущений мы можем определять тепло и холод в достаточно узком диапазоне температур: всё, что нагрето выше 60-70 градусов Цельсия, будет для нас «очень горячим», а всё, что имеет температуру ниже нуля по Цельсию – «очень холодным».
Что говорят учебники физики?
Если открыть учебник физики, то именно это в нём и написано: холод – это состояние сравнительно низкой температуры, выражаемое в субъективном ощущении либо сравнении с более тёплым состоянием окружающей среды, предмета, субстанции. Т.е., говоря простыми словами, это недостаток тепла. На самом деле, какое-то количество тепла присутствует практически всегда, но если оно нам кажется недостаточным, то мы называем это состояние холодом.
В физике существует понятие абсолютного нуля, при котором вещества лишены тепловой энергии. Абсолютный нуль соответствует –273,15 градусам Цельсия, и в природе он возможен лишь в космическом вакууме и при полном отсутствии света или других излучений. В этом состоянии хаотическое движение элементарных частиц, свойственное всем без исключения веществам, полностью прекращается. Стоит веществу, находящемуся в состоянии полного покоя, получить хотя бы один квант тепловой энергии, движение частиц возобновляется.
Чем выше температура нагрева вещества, тем активнее и энергичнее движутся составляющие его частицы. Как известно, именно с этим связан процесс испарения: наиболее активные и подвижные молекулы отрываются от основной массы и в дальнейшем перемещаются уже среди молекул воздуха или иного газа.
Если же лишить частицы тепловой энергии, они становятся значительно менее подвижными. Внешне это выражается в выпадении капель конденсата или намерзании кристалликов инея на твёрдых поверхностях.
Охлаждение – процесс отъёма тепла
Чтобы сделать какой-либо предмет холодным, надо всего лишь отнять у него тепло, передав его излишек другому предмету или среде. Так, зимой достаточно поставить слишком горячий чай на открытый балкон, чтобы через несколько минут он остыл, отдав своё тепло окружающей среде. Летом мы, наоборот, охлаждаем свой напиток, бросая в стакан кусочки льда, которые постепенно тают, забирая лишнее тепло у сока или лимонада.
По принципу отъёма излишков тепла работают все современные холодильные установки. Изъятие тепловой энергии происходит за счёт испарения хладагента – специального вещества, которое активно испаряется при низкой температуре. Атомы хладагента отбирают тепловую энергию у воздуха, находящегося в камере холодильника, а тот, в свою очередь, охлаждает стенки камеры и лежащие на полках продукты.
Итак, что же такое холод?
Основываясь на вышеописанных примерах, мы можем уверенно утверждать: с точки зрения физики холода не существует. То, что мы называем холодом – всего лишь состояние недостаточного, с нашей точки зрения, тепла.
В целом же понятия «тёплого» и «холодного» являются нашими субъективными ощущениями: все предметы и среды, нагретые выше температуры нашего тела, будут казаться нам тёплыми или горячими, а всё, что имеет более низкую, чем наша кожа, температуру, покажется прохладным или холодным.
Тепло и холод
Что же такое тепло? И что такое холод? Может, эти вопросы кому-нибудь кажутся слишком легкими.
Помните: один древний философ уверял всех, что огонь — это вещество.
Вы, наверно, посмеетесь: какое же вещество — огонь. Вот горящие дерево или уголь — действительно вещества. А огонь — это просто горение: топливо соединяется с кислородом и при этом выделяется много тепла.
Но не думайте, что догадаться об этом было просто. И не только в далекой древности люди ошибались. Еще недавно некоторые ученые считали, что тепло — особая невидимая жидкость: переливается из нагретого тела в холодное и нагревает его. Для этой жидкости, которая «творила тепло», даже название приготовили: теплотвор.
А может быть, так и есть. Может быть, теплотвор вроде чая: нальешь в пустой стакан — стакан нагреется, выльешь — остынет. А если на огне нагревать кирпич или, скажем, кусок толстой железной проволоки, где же в проволоке, в кирпиче поместится чай-теплотвор.
Но были и тогда ученые, не верившие в теплотвор. Ломоносов еще более двухсот лет назад говорил: движение атомов и молекул в веществе — это и есть тепло. Если они начинают двигаться, суетиться быстрее, мы скажем: вещество нагревается. Если медленнее — остывает.
Как бы это проверить: прав он или не прав?
А проверить все же возможно: если опытный наблюдатель будет достаточно долго и внимательно глядеть в микроскоп, то заметит, что в капле кипятка броуновские частички-пылинки движутся быстрее, чем в холодной, остуженной капле.
Впрочем, и без всякого микроскопа каждый не раз видел, как начинают носиться «горячие» молекулы: ну конечно, я имею в виду обыкновенный пар — молекулы воды, вылетающие из чайника на плите…
Неужели вы и теперь продолжаете думать, будто это слишком простые вопросы? Тогда ответьте, пожалуйста, еще на один: почему нагревается ложка в стакане с чаем? И почему нагревается стакан?
Люди привыкли к таким «обыкновенным» явлениям и почти не замечают их. Им кажется, что это слишком просто, даже неинтересно. Еще как интересно.
Отчего же нагреваются стакан и чайная ложка?
Есть такая шутка: «От чего утка плавает?» — «От берега». Только не вздумайте подобным образом ответить на мой вопрос: «Стакан и ложка нагреваются от горячего чая…» Ясно, что от горячего, а не от холодного. А вот почему они нагреваются от чая, как это происходит?
Подумали? Наверно, кто-нибудь уже догадался. Вот и объясните тому, кто до сих пор не знает. А объяснить можно так: молекулы горячего чая толкаются не только между собой — они толкают, пихают все, что встретится им на пути. Встретился стакан — толкают стенки стакана, встретилась ложка — ложку. Молекулы стеклянного стакана сперва были «холодные», медленные. Но быстрые молекулы чая очень скоро их растормошили, растолкали: стакан нагрелся.
Ложка не вся утонула в чае — конец торчит сверху, над стаканом. А попробуйте-ка дотронуться до него — конец тоже нагрелся. Это свойство вещества — передавать, проводить тепло, будто электрический ток по проводам,— называют теплопроводностью. Особенно хорошо проводят тепло металлы и некоторые другие твердые вещества. Теплопроводность жидкостей, например воды, во много раз хуже, чем металлов. А теплопроводность газов? Вы, конечно, помните, что в газах молекулам живется просторно и они сравнительно редко сталкиваются, встречаются друг с другом. Вот почему газы, например воздух, проводят тепло совсем плохо.
Люди знают об этом и по-разному используют теплопроводность разных веществ.
Какая стена теплее — сложенная из сплошного глиняного кирпича или из кирпича, внутри которого оставлены дырки? Оказывается, «дырчатая»: кирпич сам по себе плохой проводник тепла, ну, а воздух, запертый в дырках в толще стены, — еще хуже. Ни за что не пропустит в дом зимний холод и не выпустит из дома тепло!
А вот в «стенках» кастрюль, сковородок, чайников незачем оставлять так называемые раковины, пустоты. Не случайно эту посуду изготовляют чаще всего из металла — из чугуна, алюминия. Ведь металлы, как мы уже говорили, обладают прекрасной теплопроводностью. В металлической посуде пищу можно нагреть и сварить гораздо быстрее, чем в глиняной…
Что же происходит с веществом, когда его нагревают?
С любым… Взять хотя бы кусок железа. Или нет, возьмем не железо, а обыкновенный пятак, монету из сплава меди с другими металлами.
Можно проделать с монетой опыт: забить два гвоздя в дощечку, будто это футбольные ворота. Да так, чтобы в эти ворота мог плашмя протискиваться пятак. А теперь хорошенько нагрейте пятак на огне и попробуйте снова просунуть в ворота. Только — чур! — не хватайте монету пальцами — обожжетесь. Лучше взять ее плоскогубцами или другими щипцами… Что, не лезет, не получается? Ну конечно: монета от нагревания «растолстела». Вот как расшевелились в ней мельчайшие частички вещества! Тесно им стало — они и растолкали друг друга, заняли больше места.
И кусок железа «растолстеет», если его нагреть, и вода, и камень, и воздух — словом, любое вещество. Свойство вещества увеличиваться, расширяться при нагревании называют тепловым расширением.
Тепловое расширение каждый много раз наблюдал в обыкновенном градуснике — термометре. «Термо» по-гречески значит «тепло». Термометр — измеритель тепла. В термометре есть стеклянная тонкая трубочка, в которой запаяна ртуть.
Если градусник сунуть под мышку, ртуть нагреется и расширится. А расширившись, поднимется по трубочке вверх и покажет температуру, то есть быстро ли движутся атомы и молекулы в нашем теле.
Есть термометры для жидкостей. Они показывают, быстро ли там движутся молекулы. Есть для воздуха: по ним узнают, жарко на улице или холодно.
Есть специальные термометры, которыми можно измерять температуру в доменных печах, где плавят железо.
Кстати, что это значит — расплавить железо?
Значит, нагреть его до высокой-превысокой температуры, до тысячи пятисот градусов! Атомы железа раскачаются, распляшутся от нестерпимой жары и перестанут держаться друг за друга так прочно, как раньше, и… потекут. Твердое железо превратится в горячую огненную реку, в жидкость. А если нагреть его еще сильнее, то и в пар! Даже очень твердое вещество, например камень кварц, можно расплавить и превратить в жидкость, а потом в пар или газ.
А что происходит, если остужать вещество, или, как говорят, понижать его температуру?
Тогда пар или газ снова превращаются в жидкость: частички вещества понемногу успокаиваются. Станет еще холоднее — и жидкость затвердеет. Воздух, которым мы дышим, ученые тоже научились превращать в жидкость вроде воды или в кусок твердого льда — в холодильниках. Не в обыкновенных холодильниках, а в специальных, где мороз двести градусов! Такого трескучего мороза даже на Северном полюсе не бывает.
Кто же из них был прав — материалисты или идеалисты? Нужна или не нужна наука? Может ли наука узнать, из чего все? Пожалуй, я даже отвечать на эти вопросы не буду: вы сами давно догадались.
Сперва ученые-материалисты доказали, что атомы и молекулы не выдумка, что они существуют на самом деле. А потом эти самые атомы и молекулы помогли ученым понять, от чего зависят свойства вещества.
Но и это не все. Оказалось, что внутри каждого атома скрыта огромная сила. Как бы ее освободить и заставить служить людям?
Терапевт дала советы по адаптации к холодам
Чувство холода означает, что организм перенаправляет тепло в жизненно важные внутренние органы, потому температура падает и в руках, ногах и носу. Об этом рассказала терапевт, семейный доктор, главный врач клиники «Твой доктор» Татьяна Романенко в понедельник, 22 ноября.
Она посоветовала «тренировать холодовые рецепторы» и рассказала, как это делать.
«Для этого необязательно бросаться в прорубь, просто периодически можно устраивать организму минимальное охлаждение: снижаем температуру в комнате. Оптимально спать при температуре от 18 до 22 градусов, потихоньку выходить из зоны комфорта. Если в комнате будет 30 градусов тепла, то даже в 10 градусов на улице мы будем чувствовать себя замерзшими, и риск переохлаждения возрастет. Также можно умывать лицо и мыть руки прохладной водой, принимать комфортный прохладный душ», — сказала терапевт в интервью радио Sputnik.
Еще один важный фактор при адаптации к переменившейся погоде, по ее словам, — это правильная одежда.
«Правильная одежда — та, в которой комфортно, когда на улице мы не мерзнем, но можем быть физически активны. Если вы одеты не по погоде, вы никогда не привыкнете к холоду. Если становится жарко, риск переохлаждения увеличивается в разы. Еще важно, чтобы в тепле были руки и ноги. Когда руки теплые, мы чувствуем себя более комфортно и как бы обманываем головной мозг: рецепторы не так реагируют, мы не чувствуем зябкости и промозглости», — отметила Романенко.
Также полезны прогулки на свежем воздухе и здоровый режим сна. Поздней осенью и зимой можно немного повысить калорийность пищи, но рацион всё равно должен быть сбалансирован.
17 ноября врач-диетолог Наталья Герасимова рассказала: чтобы укрепить иммунитет в холодную погоду, необходимо гулять на свежем воздухе, пить свежие или консервированные соки и морсы, есть рыбу и водоросли. Она отметила, что для здоровья полезно пить теплые напитки с добавлением цитрусовых, имбиря и ягод, а для вкуса вместо сахара лучше использовать мед.
Центр России ждет самая холодная ночь с начала осени
В Европейской части России – очередная волна похолодания. По одному и тому же сценарию развивается погодная ситуация в течение всего ноября: по северу Европы чередой идут атлантические циклоны, сначала приносят нам порции тепла, затем затягивают арктический холод.
Заметает сейчас Урал и Предуралье. Вторые сутки техника очищает от снега Оренбургскую область. В самом Оренбурге видимость из-за метели сегодня днем снижалась до одного километра.
Идут снегопады и на севере европейской территории России. Например, в Архангельске сегодня видимость – пара километров. Отмечается низкая плотная облачность и порывистый ветер.
В Ленинградской области погода чуть лучше. Здесь еще не зима, а только предзимье. Пелена облаков настолько тонка, что видно небо, но при этом не прекращает сыпать слабый снег.
Атлантический циклон «Ульрих», который принес потепление и интенсивные осадки в центр страны в прошедшие выходные, покидает Европейскую территорию России. Уходя, он тянет за собой холодный арктический воздух. Продвижению холода способствует антициклон над Европой, по его восточной периферии стужа прорвется далеко на юг.
Предстоящая ночь станет самой холодной с начала осени. Зона заморозков охватит север Волгоградской области, от нуля до минус 5. К рассвету похолодает в Черноземье и вдоль западной границы России. На большей части Европейской территории страны воздух остынет от минус 5 до минус 10 градусов. В Мурманской области и республике Коми – до минус 15.
Местами похолодание будет сопровождаться осадками. Наиболее интенсивные пройдут на юге Черноземья и в низовьях Дона. Здесь столкновение теплого воздуха, который до сих пор господствовал в регионе, и холода, который наступает из центра страны, спровоцирует циклогенез. Новый вихрь зародится на волне атмосферного фронта. И пик осадков придется на дневные и вечерние часы. Ситуация может быть опасная: осадки начнутся в виде дождя, однако температура будет быстро понижаться. Снег будет укрывать уже лед.
Завтра днем в Ростове-на-Дону еще тепло, несмотря на дождь, термометры покажут плюс 8, но уже к вечеру похолодает до нуля градусов, дождь перейдет в мокрый снег с дождем, на дорогах возможна гололедица и накат. В среду днем без осадков, но не теплее двух градусов. До конца рабочей недели по ночам заморозки, днем даже при прояснениях не теплее плюс 3.
В Москве облачно, ветрено, к вечеру будет минус 3, а ночью мороз усилится до минус 6 градусов. Утро будет холодным. Завтра днем из-за облаков выглянет солнце, но максимальная температура, тем не менее, составит минус 3.
Со среды станет немного теплее, задует сильный юго-западный ветер, днем будет около нуля, возможны осадки.