Я познаю мир. Естествознание

В 1714 году в Америке Фаренгейт ввел новую шкалу температуры. Нижней точкой шкалы стала температура смеси льда, нашатыря и соли. Фаренгейт думал, что это самая низкая температура, которую можно получить искусственно, и обозначил ее за ноль, а температуру человеческого тела – 99°. По этой шкале вода замерзает при 32°F, а кипит при 212°F. Латинская буква F обозначает, что измерения проведены по шкале Фаренгейта.

В наши дни большая часть термометров наполняется ртутью, а за ноль принимают точку замерзания воды; 100° считают точкой кипения воды. Эту шкалу ввел в употребление шведский ученый Цельсий в 1742 году, и она называется стоградусной.

Что такое теплоемкость?

В конце весны и начале лета мы с нетерпением ждем дня, когда вода в озере нагреется, чтобы можно было купаться. Земля нагревается гораздо быстрее, чем вода. Ветер перемешивает воду, заставляя холодные глубинные слои воды подниматься на поверхность, и снова нужно тепло для их нагрева. Земля же нагревается с поверхности. Если вырыть достаточно глубокую яму, можно достичь слоя, в котором температура сохраняется постоянной.

Скорость нагрева различных веществ неодинакова. Она зависит от теплоемкости. Теплоемкость воды больше, чем теплоемкость земли, то есть при одном и том же объеме для нагрева воды нужно больше тепла, чем для нагрева земли. Для того чтобы нагрелось большое озеро, нужно больше времени, чем для нагрева маленького пруда или лужи; мелкие водоемы нагреваются быстрее глубоких.

Мелкие водоемы могут нагреваться и от дна. Солнечные лучи в таких озерцах проникают до дна и нагревают темный ил или песок, превращаясь в тепло. Нагретая от дна вода постепенно поднимается вверх.

Люди, которые живут вблизи больших озер, хорошо знают, что такое большая теплоемкость воды. Озера медленно нагреваются весной и долго остывают осенью, поэтому в таких местах хорошо вызревают плоды. Поскольку озера медленно нагреваются, теплая весна около больших озер наступает позже, и деревья не распускаются слишком рано и поэтому не страдают от заморозков. Осенью дольше держится теплая погода, поэтому плоды могут зреть дольше, не подвергаясь опасно

сти замерзания. Такие условия наблюдаются в так называемом «плодовом поясе» вблизи озера Мичиган. Близость больших масс воды обеспечивает мягкий климат многих земель, в том числе Гавайских и Британских островов, Норвегии, Флориды и Южной Калифорнии.

Мелкие водоемы могут нагреваться и от дна

Как испаряется вода?

Если налить воду в открытую посуду и оставить на несколько дней, вода исчезает. Это происходит благодаря испарению. Испарение происходит быстрее, если нагревать жидкость. Кроме того, можно вспомнить, что мок

рое белье быстрее высыхает на ветру, чем в тихую погоду. Вода из бутылки испаряется дольше, чем такое же количество воды, налитое в тарелку. Если же бутылку заткнуть пробкой, то вода вообще не будет испаряться. Если же мы нальем в тарелку не воду, а такое же количество спирта, то спирт испарится быстрее. Жидкости, которые быстро испаряются, называются летучими.

Если на берегу моря ветрено, то, выходя из воды, мы быстро замерзаем. Испарение требует затрат тепла, поэтому мы охлаждаемся. Жидкость испаряется благодаря тому, что молекулы двигаются, и некоторые из них оказываются быстрее остальных, они могут отрываться с поверхности и уноситься в пространство. Отправляясь в полет, молекула уносит с собой и часть энергии, поэтому жидкость при испарении охлаждается. Чем выше температура, тем быстрее носятся молекулы, и тем больше их может оторваться и отправиться в полет. Поэтому нагретая жидкость испаряется быстрее холодной.

Некоторые из улетевших молекул возвращаются обратно, но жидкость в сосуде продолжает убывать, если их улетает больше, чем возвращается. Если заткнуть бутылку пробкой, то вскоре количество улетевших с поверхности молекул за минуту станет равно количеству вернувшихся обратно за то же время. Воздух над жидкостью в заткнутой бутылке станет насыщенным паром. В таком паре количество молекул, одновременно находящихся в воздухе, не может увеличиться, и если с поверхности взлетит еще пять молекул, столько же упадет обратно в жидкость.

Жидкость испаряется благодаря тому, что некоторые молекулы могут оторваться от ее поверхности. Нагретая жидкость испаряется быстрее холодной

Если воздух разрежен, то улетающие с поверхности молекулы воды реже сталкиваются с молекулами воздуха. Становится меньше ударов, возвращающих улетевшие молекулы обратно в жидкость, и она начинает испаряться сильнее.

Испаряться могут и некоторые твердые вещества. Нафталин, который раньше использовали для отпугивания моли в шкафах с шерстяной одеждой, как раз относится к таким веществам. Молекулы этих веществ отрываются прямо с поверхности твердого тела, не превращаясь предварительно в жидкость. Этот процесс называется сублимацией, или возгонкой. Кроме нафталина такой способностью обладают кристаллы йода, лед, камфара. «Сухой лед», который используют в киосках с мороженым, испаряется очень быстро.

Как кипит вода?

Если взять чайник, налить в него воды, поставить на огонь и наблюдать за тем, что будет происходить с закипающей водой, можно увидеть, что вначале по всему чайнику появятся маленькие пузырьки. Это воздух, который был растворен в воде. Поскольку мы нагреваем воду снизу, пузырьки пара будут образовываться на дне чайника и всплывать вверх, чтобы в верхних более холодных слоях снова превратиться в воду. Когда температура поднимется еще выше, пузырьки пара начнут достигать поверхности, и из чайника пойдет пар.

Если поместить в кипящий чайник термометр, мы увидим, что как бы мы ни прибавляли огонь, температура кипения останется той же. Поэтому нет смысла прибавлять огонь, чтобы быстрее приготовить еду: потребуется то же время – важно, сколько продукты провели в воде с температурой 100°С, а не то, как бурно эта вода кипела. Так происходит потому, что все тепло, которое подходит к кипящему сосуду, идет на разрыв связей между молекулами, которые, освободившись, становятся частью пара.

Как работает холодильник?

Чтобы разобраться в этом тонком и полезном приборе, нужно понять, как газ превращается в жидкость. Для того чтобы превратить газ в жидкость, его нужно охладить или сжать. Быстро добиться успеха можно, проделав и то и другое. Если газ превратили в жидкость, выделилась теплота. Если наоборот, жидкость превратили в пар, все, что касается этого сосуда, охлаждается.

Именно это происходит в холодильнике. Жидкость попадает в испаритель, откуда насос откачивает газ, и охлаждает стенку холодильника. Образовавшийся газ поступает в насос и охлаждается. При этом задняя сторона холодильника нагревается.

Как путешествует тепло?

Теплая печь в доме обогревает воздух во всех помещениях, тепло распространяется по всем комнатам. Если помешать угли кочергой, то ручка, за которую мы держимся рукой, тоже постепенно нагреется. Тепло Солнца как–то добирается до Земли, несмотря на огромное расстояние, которое их разделяет.

В жидкости и газе тепло может распространяться вместе с движущимися молекулами. В твердых телах происходит нечто подобное, когда колебания одних молекул передаются соседним и так далее. Так нагревается ручка кочерги. В космосе, где нет молекул, теплота передается по–другому.