ИСКУССТВЕННЫЙ ХОЛОД

ЧТО ТАКОЕ ХОЛОД?

О то такое холод? Какова его природа?

* Мы часто употребляем слово «холод» и обычно про­тивопоставляем холод теплу. Как же мы различаем хо­лод и тепло? Прежде всего по нашим ощущениям. На­пример, в мягкий зимний день мы говорим: «Сегодня со­всем не холодно, только четыре градуса мороза». А затем, войдя в плохо натопленную комнату, вполне искренне восклицаем: «Как здесь холодно! только девять граду­сов тепла».

Прикасаясь рукой к какому-либо предмету, мы по ощу­щению называем его горячим, тёплым или холодным. Однако такой способ определения степени нагретости тела, конечно, недостаточно надёжен. Наши непосред­ственные ощущения, сами по себе, не могут служить для правильных тепловых измерений. Поэтому для того, чтобы определить степень нагретости тела, или, как говорят, его температуру, применяют специальные приборы — тер­мометры.

Обычный, всем известный термометр представляет собой узкую стеклянную трубочку с шариком внизу, за­полненным ртутью. При повышении температуры ртуть расширяется и столбик её поднимается по трубочке вверх; при понижении температуры столбик ртути опускается вниз. Сзади трубочки закреплена линейка с делениями, так называемая Шкала; по ней и измеряют температуру в условных единицах измерения — градусах.

Если термометр поместить в тающий лёд, столбик ртути будет показывать всегда одну и ту же температуру. Точно так же уровень ртути будет находиться всегда на одной и той же вполне определённой высоте, если термо­метр держать в парах кипящей воды.

На международной температурной шкале тепловое состояние тающего льда соответствует 0, а кипящей воды при нормальном атмосферном давлении — 100 гра­дусам.

На такой стоградусной температурной шкале деления наносятся также и ниже 0 и выше 100 градусов. Темпера­тура ниже нуля обозначается знаком — (минус). Напри­мер, температура замерзания ртути составляет—39° С (значок ° обозначает градус, а значок С — то, что отсчёт температуры ведётся по стоградусной шкале).

Что же такое холод?

Холод — понятие условное, обозначающее относи­тельно малое содержание тепла в теле. Холодное тело характеризуется низкой температурой. Физическая при­рода холода и тепла одинакова. Поэтому для ответа на вопрос о природе холода сначала рассмотрим, что такое тепло или теплота, чем отличаются друг от друга тела, имеющие различную температуру.

Ещё свыше 2000 лет назад древнегреческий философ Демокрит высказал предположение, что все тела состоят из мельчайших материальных частиц — атомов. Это мате-

2 Н. С. Комаров

Риалистическое представление о строении тел, имевшее многих сторонников в древности, не получило в мрачные времена средневековья своего дальнейшего развития. Христианская церковь, пользовавшаяся огромной властью, в течение нескольких столетий тормозила развитие науки. Однако и тогда передовые учёные восставали против невежества и господства церкви.

Великий русский учёный М. В. Ломоносов (1711 — 1765 гг.) развил учение о молекулярном строении ве­щества. В 1744 году в своей работе «Размышления о при­чине тепла и холода» учё­ный отверг существовав­шие в то время ненаучные понятия «невесомой тепловой материи» и «материи хо­лода» и дал действительное объяснение природы теп­лоты на основании развитой им молекулярной теории. Теория М. В. Ломоносова о природе теплоты опередила современную ему науку на много лет.

В наше время существо­вание атомов и молекул ста­ло достоверным фактом. Определены их размеры, а с помощью электронного микроскопа даже сфотографиро­ваны контуры наиболее крупных молекул.

Частицы, составляющие тела, находятся в непрерыв­ном движении. Характер этого движения различен в га­зах, жидкостях и твёрдых телах. В газах движение частиц совершенно беспорядочно. Путь частицы газа очень сложный и имеет вид запутанного узора (рис. 1).

В жидкости частицы расположены ближе друг к другу и между ними действуют значительные силы взаимного притяжения, или силы сцепления. Благодаря этому жидкость занимает определённый объём.

В твёрдых телах существует известный порядок раз­мещения частиц: каждая из них колеблется около опре­делённого места в пространстве. Эти средние положения частиц образуют так называемую кристалличе­скую решётку твёрдого тела.

Опыты показывают, что при повышении температуры газообразного тела средняя скорость беспорядочного движения частиц увеличивается, что проявляется в повы­шении давления газа; при охлаждении газа, наоборот, скорость частиц уменьшается, и давление падает.

Такую же картину мы наблюдаем и у жидких и твёр­дых тел: при нагревании тела скорость движения его частиц возрастает, а при охлаждении — падает[12]).

Таким образом, теплота характеризуется скоростью движения невидимых глазом материальных частиц тела.

Частицы тела в своём непрерывном движении обладают энергией, называемой обычно тепловой энергией.

Таким образом, тепловая энергия есть внутренняя энергия движения частиц в теле. Температура тела опре­деляет собой среднюю скорость движения его частиц.

Для лучшего понимания физической природы теплоты выясним, что такое энергия.

Когда мы говорим про какого-либо человека, что он «энергичный», мы понимаем под этим его большую работо­способность. И действительно, энергия — это способность тела производить работу. Например, когда паровоз пере­двигает состав вагонов, он совершает работу. Эта работа измеряется произведением силы, с которой паровоз тянет вагоны, на пройденное им расстояние. Для того чтобы паровоз мог совершить такую работу, он должен обла­дать определённой энергией.

При забивке свай обычно используется энергия подня­той над землёй тяжёлой болванки — копра. Движущийся автомобиль обладает энергией, величина которой зависит от его скорости.

Таким образом, энергия тела есть запас той работы, которую это тело может совершить.

Энергия является формой движения материи. Во всех без исключения явлениях природы она не уничтожается и не возникает вновь. Она лишь передаётся от одного тела к другому или переходит из одного вида в другой.

Существует несколько видов энергии: механическая, электрическая, химическая и др. При переходе одного вида энергии в другой взамен некоторого «исчезнув­шего» количества одной энергии появляется строго определённое, равноценное, или, как говорят, эквивалент­ное ему количество другой энергии. Это многократно про­верено и доказано опытом и практикой. Например, если пропускать электрический ток через нагревательный при­бор, т. е. затратить электрическую энергию, то можно получить взамен некоторое количество теплоты. Если теперь полностью превратить тепло обратно в электро­энергию, то мы получим её ровно столько, сколько было затрачено. Таким образом, общее количество энергии при всех её превращениях остаётся неизменным.

Этот закон сохранения энергии наряду с законом со­хранения вещества является основным законом естество­знания.

Тепло может переходить и в механическую энергию. Например, тепло солнечных лучей, нагревая воздух, вызы­вает его движение — ветер. А ветер может совершать по­лезную механическую работу. Энергия ветра издавна используется в различных ветряных двигателях.

Существует и обратный переход механической энергии в теплоту. Чтобы убедиться в этом, потрите сильно ла­дони друг о друга, и вы почувствуете тепло. Оно появи­лось в результате затраченной вами работы.

Пользуясь молекулярными представлениями, можно легко объяснить и всем известное явление теплопередачи. Два тела, неодинаково нагретые, содержат частицы, движущиеся с неодинаковыми средними скоростями. При взаимодействии этих частиц средние их скорости вырав­ниваются, а поэтому выравниваются и температуры. При теплообмене одно тело увеличивает количество своей теп­ловой энергии за счёт другого тела, и температура его по­вышается, а у другого тела количество энергии и темпера­тура соответственно уменьшаются. Таким образом, теп­лота сама собой переходит только от более нагретого тела к менее нагретому.

Такова физическая природа теплоты. А холод, как мы уже говорили,— понятие условное. Различие между теп­лом и холодом заключается лишь в степени движения частиц.

Следовательно, холод и тепло по своей физической сущности — одно и то же.

Количество подведённого к телу тепла, а также коли­чество холода вполне измеримы. Но это не так просто сделать. Если измерять тепло и холод только по темпера-' туре тела, то можно ошибиться. Сравним, например, охлаждение 50 литров парного молока с начальной тем­пературой +37° и охлаждение 1 литра кипящей воды. Конечно, кипяток в таком небольшом количестве охла­дить легче, чем тёплое молоко, но в большем количестве. Кроме того, даже при одинаковом весе и одинаковой начальной температуре тел для их нагревания или охлаждения требуется подвести или отвести различное количество тепла. Объясняется это различной теплоём­костью тел.

В каких же единицах измеряется тепло?

Для измерения количества тепла и холода в технике применяют определённую единицу — большую кало­рию, или килокалорию.

Килокалория (сокращённо ккал) — это такое количе­ство тепла, которое надо затратить, чтобы нагреть или охладить один килограмм воды на один градус.

Тепло можно измерять также в эквивалентных, т. е. равноценных, единицах механической или электрической энергии. Например, одна килокалория тепла может совер­шить работу, равную 427 килограммометрам (это значит, что, затратив одну килокалорию тепла, можно тело весом в один килограмм поднять на высоту 427 метров).

При затрате одного киловатт-часа электроэнергии по­лучается 860 килокалорий тепла.