Текст книги "Физика для всех. Движение. Теплота"

Автор книги: Александр Китайгородский

Соавторы: Лев Ландау
сообщить о нарушении

Текущая страница: 16 (всего у книги 28 страниц)

Вакуум

Пустой в техническом смысле сосуд содержит еще огромное число молекул.

Во многих физических приборах молекулы газа являются существенной помехой. Радиолампы, рентгеновские трубки, ускорители элементарных частиц – все эти приборы нуждаются в вакууме *99
  Слово «вакуум» латинское; «vacuum» в переводе на русский язык – пустота.


[Закрыть], т.е. в свободном от молекул газа пространстве. Вакуум должен быть и в обычной электрической лампочке. Если в лампочку попадет воздух, нить лампы окислится и перегорит немедленно.

В лучших вакуумных приборах имеется вакуум порядка 10 ⁻⁸мм Нg. Казалось бы, совершенно ничтожное давление: на стомиллионную долю миллиметра сдвинулся бы уровень ртути в манометре при изменении давления на такую величину.

Однако при этом мизерном давлении в 1 см ³находится еще несколько сот миллионов молекул.

С этим вакуумом интересно сравнить пустоту межзвездного пространства – там на несколько кубических сантиметров приходится в среднем одна элементарная частица вещества.

Для получения вакуума применяются специальные насосы. Обычный насос, удаляющий газ путем движения поршня, может создать вакуум не более 0,01 мм Нg. Хороший, или, как говорят, высокий, вакуум можно получить при помощи так называемых диффузионных насосов – ртутных или масляных, в которых молекулы газа захватываются струей ртутного или масляного пара.

Ртутные насосы, носящие имя их изобретателя Лэнгмюра, начинают работать лишь после предварительной откачки до давлений около 0,1 мм Нg; такое предварительное разрежение называют форвакуумом.

Принцип действия заключается в следующем. Небольшой стеклянный объем сообщается с сосудом со ртутью, откачиваемым пространством и форвакуумным насосом. Ртуть подогревается, и форвакуумный насос увлекает ее пары. По дороге ртутные пары захватывают молекулы газа и доставляют их к форвакуумному насосу. Атомы ртути конденсируются в жидкость (предусмотрено охлаждение проточной водой), которая стекает в тот сосуд, откуда ртуть начала путешествие.

Достигаемый в лабораторных условиях вакуум, как мы сказали только что, – это еще далеко не пустота в абсолютном значении слова. Вакуум – это сильно разреженный газ. Свойства этого газа могут существенно отличаться от свойств обычного газа.

Движение молекул, «образующих вакуум», меняет свой характер, когда длина свободного пробега молекулы становится больше размеров сосуда, в котором находится газ. Тогда молекулы редко сталкиваются между собой и совершают свое путешествие прямыми зигзагами, ударяясь то об одну, то о другую стенку сосуда.

Вычислим, при каком давлении это будет. Выше говорилось, что в воздухе при атмосферном давлении длина пробега равна 5·10 ⁻⁶см. Если увеличить ее в 10 ⁷раз, то она составит 50 см, т.е. будет заметно больше среднего по размерам сосуда. Поскольку длина пробега обратно пропорциональна плотности, а следовательно, и давлению, то давление для этого должно составлять 10 ⁻⁷атмосферного или, примерно, 10 ⁻⁴мм Hg.

Даже межпланетное пространство не является совсем пустым. Но плотность вещества в нем cоставляет около 5·10 ⁻²⁴г/см ³. Основная доля межпланетного вещества – атомарный водород. В настоящее время считается, что в космосе приходится по несколько атомов водорода на 1 см ³. Если увеличить молекулу водорода до размеров горошины и поместить такую «молекулу» в Москве, то ее ближайшая «космическая соседка» окажется в Туле.

Кристаллы

Многие думают, что кристаллы – это красивые, редко встречающиеся камни. Они бывают разных цветов, обычно прозрачные и, что самое замечательное, обладают красивой правильной формой. Чаще всего кристаллы представляют собой многогранники, стороны (грани) их идеально плоские; ребра строго прямые. Они радуют глаз чудесной игрой света в гранях, удивительной правильностью строения.

Есть среди них скромные кристаллы каменной соли – природного хлористого натрия, т.е. обычной поваренной соли. Они встречаются в природе в виде прямоугольных параллелепипедов или кубиков. Простая форма и у кристаллов кальцита – прозрачных косоугольных параллелепипедов. Куда сложнее кристаллы кварца. У каждого кристаллика множество граней разной формы, пересекающихся по ребрам разной длины.

Однако кристаллы – совсем не музейная редкость. Кристаллы окружают нас повсюду. Твердые тела, из которых мы строим дома и делаем станки, вещества, которые мы употребляем в быту, – почти все они относятся к кристаллам. Почему же мы этого не видим? Дело в том, что в природе редко попадаются тела в виде отдельных одиночных кристаллов (или, как говорят, монокристаллов). Чаще всего вещество встречается в виде прочно сцепившихся кристаллических зернышек уже совсем малого размера – меньше тысячной доли миллиметра. Такую структуру можно увидеть лишь в микроскоп.

Тела, состоящие из кристаллических зернышек, называются мелкокристаллическими, или поликристаллическими («поли» – по-гречески «много»).

Конечно, к кристаллам надо отнести и мелкокристаллические тела. Тогда окажется, что почти все окружающие нас твердые тела – кристаллы. Песок и гранит, медь и железо, салол, продающийся в аптеке, и краски – все это кристаллы.

Есть и исключения; стекло и пластмассы не состоят из кристалликов. Такие твердые тела называются аморфными.

Итак, изучать кристаллы – это значит изучать почти все окружающие нас тела. Понятно, как это важно.

Одиночные кристаллы сразу же узнают по правильности форм. Плоские грани и прямые ребра являются характерным свойством кристалла; правильность формы несомненно связана с правильностью внутреннего строения кристалла. Если кристалл в каком-то направлении особо вытянулся, значит, и строение кристалла в этом направлении какое-то особенное.

Но представьте себе, что из крупного кристалла на станке изготовлен шар. Удастся ли сообразить, что в руках у нас кристалл, и отличить этот шар от стеклянного? Естественная форма кристалла показывает, что кристалл различен в разных направлениях. Если это различие проявляется в отношении формы, то оно должно существовать и в отношении других свойств. Прочность кристалла, электрические его свойства, проводимость тепла – все свойства могут различаться в разных направлениях. Эта особенность кристалла называется анизотропией его свойств. Анизотропный – это значит разный в разных направлениях.

Кристаллы анизотропны. Напротив, аморфные тела, жидкости и газы изотропны, т.е. обладают одинаковыми («изо» – по-гречески «одинаково») свойствами в разных направлениях («тропос» – направление).

Анизотропия свойств и позволяет узнать, является ли прозрачный бесформенный кусочек вещества кристаллом или нет.

Строение кристаллов

Почему так красива, правильна форма кристалла? Грани его, блестящие и ровные, выглядят так, словно над ними поработал искусный шлифовальщик. Отдельные части кристалла повторяют одна другую, образуя красивую симметричную фигуру.

Ответ на поставленный вопрос может быть лишь один – внешней красоте должна отвечать внутренняя правильность. Эта правильность заключается в многократном повторении одних и тех же основных частей.

Представьте себе парковую решетку, сделанную из прутьев разной длины и расположенных как попало. Безобразная картина. Хорошая решетка построена из одинаковых прутьев, расположенных в правильной последовательности на одинаковых расстояниях один от другого.

Такую же самоповторяющуюся картину мы находим в обоях. Здесь элемент рисунка – скажем, девочка, играющая в мяч, – повторяется уже не в одном направлении, как в парковой решетке, а заполняет плоскость.

Какое же отношение имеют парковая решетка и обои к кристаллу? Самое прямое. Парковая решетка состоит из звеньев, повторяющихся вдоль линии, обои – из картинок, повторяющихся вдоль плоскости, а кристалл – из групп атомов, повторяющихся в пространстве. Поэтому и говорят, что атомы кристалла образуют пространственную (или кристаллическую) решетку.

В настоящее время известно строение многих сотен кристаллов. Расскажем про строение простейших кристаллов и прежде всего тех, которые построены из атомов одного сорта.

Наиболее распространены три типа решеток. Они показаны на рис. 89. Точками изображены центры атомов; линии, объединяющие точки, не имеют реального смысла. Они проведены лишь для того, чтобы сделать читателю более ясным характер пространственного расположения атомов.

Рис. 89, аи 89, бизображают кубические решетки. Чтобы представить себе эти решетки яснее, вообразите, что вы сложили простейшим способом – ребро к ребру, грань к грани – детские кубики.

Если теперь мысленно разместить точки по вершинам и центрам объемов кубов, то возникнет кубическая решетка, изображенная на левом рисунке. Такая структура называется кубической объемноцентрированной. Если разместить точки по вершинам кубов и в центрах их граней, то возникнет кубическая решетка, изображенная на среднем рисунке. Она называется кубической гранецентрированной.

Третья решетка (рис. 89, в) называется плотнейшей гексагональной (т.е. шестиугольной). Чтобы понять происхождение этого термина и яснее представить себе расположение атомов в этой решетке, возьмем биллиардные шары и начнем укладывать их как можно плотнее. Прежде всего составим плотный слой – он выглядит так, как биллиардные шары, собранные «треугольником» перед началом игры (рис. 90). Отметим, что шар внутри треугольника имеет шесть соприкасающихся с ним соседей, и эти шесть соседей образуют шестиугольник. Продолжим укладку наложением слоев друг на друга. Если поместить шары следующего слоя непосредственно над шарами первого слоя, то такая упаковка была бы неплотной. Стараясь разместить в определенном объеме наибольшее число шаров, мы должны положить шары второго слоя в лунки первого, третьего слоя – в лунки второго и т.д. В гексагональной плотнейшей упаковке шары третьего слоя размещены так, что центры этих шаров лежат над центрами шаров первого слоя. Центры атомов в гексагональной плотнейшей решетке расположены так, как центры шаров, плотно уложенных описанным способом.

В описанных трех решетках кристаллизуется множество элементов:

Гексагональная плотнейшая упаковка..... Be, Co, Hf, Ti, Zn, Zr

Кубическая гранецентрированная........ Al, Cu, Co, Fe, Au, Ge, Ni, Ti

Кубическая объемноцентрированная ...... Cr, Fe, Li, Mo, Ta, Ti, U, V

Из других структур упомянем лишь немногие. На рис. 91 изображена структура алмаза. Для этой структуры характерно то, что атом углерода алмаза имеет четыре ближайших соседа. Сопоставим это число с соответствующими числами описанных только что трех наиболее распространенных структур. Как видно из рисунков, в плотнейшей гексагональной упаковке у каждого атома 12 ближайших соседей, столько же соседей у атомов, образующих гранецентрированную кубическую решетку; в объемноцентрированной решетке у каждого атома 8 соседей.

Несколько слов скажем о графите, строение которого показано на рис. 92. Особенность этой структуры бросается в глаза. Графит состоит из слоев атомов, причем атомы одного слоя связаны между собой сильнее, чем атомы соседних слоев. Это связано с величиной межатомных расстояний: расстояние между соседями в одном слое в 2,5 раза меньше кратчайшего расстояния между слоями. Наличие слабо связанных атомных слоев приводит к тому, что кристаллы графита легко расщепляются вдоль этих слоев. Поэтому твердый графит может служить смазочным материалом в тех случаях, когда невозможно применять смазочные масла, – например, при очень низких или очень высоких температурах. Графит – твердый смазочный материал.

Трение между двумя телами сводится, грубо говоря, к тому, что микроскопические выступы одного тела западают во впадины другого. Усилие, достаточное для того, чтобы расщепить микроскопический графитовый кристаллик, много меньше сил трения, поэтому наличие графитовой смазки значительно облегчает скольжение одного тела по другому.

Бесконечно разнообразны структуры кристаллов химических соединений. Крайними – в смысле различий – примерами могут служить структуры каменной соли и двуокиси углерода, изображенные на рис. 93 и 94.

Кристаллы каменной соли (рис. 93) состоят из чередующихся вдоль осей куба атомов натрия (маленькие темные шары) и хлора (большие светлые шары).

Каждый атом натрия имеет шесть равноотстоящих соседей другого сорта. То же относится и к хлору. Но где же молекула хлористого натрия? Ее нет; в кристалле отсутствует не только группа из одного атома натрия и одного атома хлора, но и вообще какая бы то ни была группа атомов не выделяется своим сближением среди других. Химическая формула NaCl не дает нам оснований говорить, что «вещество построено из молекул NaCl». Химическая формула указывает лишь, что вещество построено из одинакового числа атомов натрия и хлора.

Вопрос о существовании молекул у вещества решается структурой. Если в ней не выделяется группа близких атомов, то молекул нет. Кристаллы без молекул называются атомными.

Кристалл углекислого газа СO ₂(сухого льда, который лежит в ящиках у продавщиц мороженого) – пример молекулярного кристалла (рис. 94).

Центры атомов кислорода и углерода молекулы СO ₂расположены вдоль прямой линии. Расстояние С–О равно 1,3 Å. А расстояние между атомами кислорода соседних молекул – около 3 Å. Ясно, что при таких условиях мы сразу же «узнаем» молекулу в кристалле.

Молекулярные кристаллы представляют собой плотные упаковки молекул. Чтобы это видеть, надо обрисовать контуры молекулы. Это и сделано на рис. 94.

XI. Температура

Термометр

Если привести в соприкосновение два тела, нагретых по-разному, то более нагретое будет охлаждаться, а холодное станет теплее. Про такие два тела говорят, что они обмениваются теплом; конечно, в жизни мы не называем обменом случай, когда один человек дает другому сто рублей, а другой берет их, но такая терминология принята в физике.

Как уже говорилось, теплообмен – это вид перехода энергии; мы называем более горячим то тело, которое отдает энергию. Мы ощущаем тело горячим, если оно нагревает руку, т.е. передает ей энергию. Наоборот, если тело ощущается холодным, то это значит, оно отнимает энергию у нашего тела.

Про тело, которое отдает тепло (т.е. путем теплообмена отдает энергию), мы говорим: его температура выше температуры того тела, которое забирает это тепло.

Наблюдая за тем, охлаждается или нагревается интересующий нас предмет в присутствии того или иного тела, мы найдем для этого предмета «свое место» в ряду нагретых тел. Температура – это своего рода метка, указывающая, для каких тел интересующий нас предмет будет дарителем, а для каких – получателем тепла.

Температуру измеряют термометрами.

В основу устройства термометров можно положить использование различных свойств тел, чувствительных к температуре. Чаще всего пользуются свойством тел расширяться при повышении температуры.

Если при соприкосновении с разными телами тело термометра будет изменять свой объем, это значит, что тела имеют разную температуру. Когда объем тела термометра больше – температура выше, а когда объем меньше – температура ниже.

Самые различные тела могут служить термометрами: и жидкие, как ртуть или спирт, и твердые – металлы, и газообразные. Но ведь разные тела расширяются по-разному, и ртутные, спиртовые, газовые и прочие градусы совпадать не будут. Конечно, всегда можно отметить на всех термометрах две основные точки – температуры таяния льда и кипения воды. Поэтому 0 и 100 градусов Цельсия все термометры всегда покажут одинаково. Но между 0 и 100 градусами тела будут расширяться не одинаково. Одно тело быстро расширяется между 0 и 50 градусами ртутного термометра и медленно на второй части этого интервала, а другое – наоборот.

Изготовив термометры с разными расширяющимися телами, мы обнаружим заметные расхождения в их показаниях, несмотря на то, что в основных точках показания будут совпадать. Более того, водяной термометр привел бы нас к такому открытию: если охлажденное до нуля тело положить на электроплитку, то его «водяная температура» сначала бы падала, а потом росла. Это происходит по той причине, что вода при нагревании сначала уменьшает свой объем и лишь потом ведет себя «нормально», т.е. увеличивает объем при нагревании.

Мы видим, что необдуманный выбор вещества для термометра может завести нас в тупик.

Но чем же тогда руководствоваться при выборе «правильного» термометра? Какое тело идеально для этой цели?

О таких идеальных телах мы уже говорили. Это идеальные газы. Взаимодействие частиц у идеального газа отсутствует, и, изучая расширение идеального газа, мы изучаем, как меняется движение его молекул. Именно по этой причине идеальный газ является идеальным телом для термометра.

И действительно, сразу бросается в глаза, что если вода расширяется иначе, чем спирт, спирт – иначе, чем стекло, стекло – иначе, чем железо, то водород, кислород, азот или любой другой газ в состоянии разрежения, которого достаточно для того, чтобы заслужить название идеального, расширяются при нагревании в точности одинаково.

Таким образом, основой для определения температуры в физике служит изменение объема определенного количества идеального газа. Разумеется, ввиду сильной сжимаемости газов надо особенно тщательно следить за тем, чтобы газ находился при постоянном давлении.

Для того чтобы проградуировать газовый термометр, мы должны точно измерить объем взятого нами газа при 0° и при 100°. Разность объемов V ₁₀₀и V ₀мы разделим на 100 равных частей. Другими словами, изменение объема газа на (1/100)·( V ₁₀₀− V ₀) и соответствует одному градусу Цельсия (1 °C).

Теперь положим, что наш термометр показывает объем V. Какая температура t°C соответствует этому объему? Нетрудно сообразить, что

т.е.

Этим равенством каждый объем Vмы относим к температуре tи получаем ту температурную шкалу *1010
  В Англии температура редко падает ниже −20 °C. Фаренгейт подобрал смесь льда с солью, имеющую примерно такую температуру, и принял эту температуру за нуль. За 100° в этой шкале была принята, по словам автора, нормальная температура человеческого тела. Однако для установления этой точки Фаренгейт, вероятно, пользовался услугами человека, которого слегка лихорадило. Средней нормальной температуре человеческого тела в шкале Фаренгейта соответствует 98 °F. В этой шкале вода замерзает при +32 °F, а кипит при 212 °F. Формула перехода будет:
  t°C = 5/9( t− 32)°F.


[Закрыть], которой пользуются физики.

При увеличении температуры объем газа неограниченно возрастает – нет никакого теоретического предела росту температуры. Напротив, низкие (отрицательные в шкале Цельсия) температуры имеют предел.

Шкала Цельсия, в которой за 0 °C принята температура тающего льда, а за 100 °C – температура кипения воды (обе – при нормальном давлении 760 мм Нg), очень удобна. Несмотря на это, англичане и американцы пользовались до сих пор такой температурной шкалой, которая кажется нам очень странной. Как, например, будет воспринята вами такая фраза из английского романа: «Лето стояло не жаркое, температура была 60–70 градусов». Опечатка? Нет, шкала Фаренгейта (°F).

Действительно, что произойдет при понижении температуры? Реальный газ в конце концов превратится в жидкость, а при еще большем снижении затвердеет. Молекулы газа соберутся в маленький объем. Но чему будет равен этот объем для нашего термометра, заполненного идеальным газом? Его молекулы не взаимодействуют между собой и не имеют собственного объема. Значит, понижение температуры приведет идеальный газ к нулевому объему. Приблизиться практически сколь угодно близко к поведению, характерному для идеального газа, в данном случае к нулевому значению объема, вполне возможно. Для этого газовый термометр надо заполнять все более и более разреженным газом. Поэтому мы не погрешим против истины, считая предельно малый объем газа равным нулю.

Согласно нашей формуле объему, равному нулю, соответствует самая низкая возможная температура. Эта температура и называется абсолютным нулем температуры.

Для того чтобы определить положение абсолютного нуля в шкале Цельсия, в выведенную формулу температуры надо подставить значение объема, равное нулю, V= 0. Таким образом, температура абсолютного нуля равна – ( V ₀·100)/( V ₁₀₀− V ₀).

Оказывается, эта замечательная точка соответствует температуре примерно −273° (точнее −273,15°).

Итак, нет температур ниже абсолютного нуля; ведь они соответствуют отрицательным объемам газа. Говорить о более низких температурах бессмысленно. Получить температуры ниже абсолютного нуля так же невозможно, как изготовить проволоку с диаметром меньше нуля.

При абсолютном нуле тело нельзя охладить, т.е. нельзя отнять у него энергию. Иными словами, при абсолютном нуле тела и частицы, из которых они построены, обладают наименьшей возможной энергией. Это означает, что при абсолютном нуле кинетическая энергия равна нулю, а потенциальная имеет наименьшее возможное значение.

Поскольку абсолютный нуль есть самая низкая температура, то естественно, что в физике, особенно в тех ее разделах, где фигурируют низкие температуры, пользуются абсолютной шкалой температур, в которой отсчет ведется от абсолютного нуля. Ясно, что T _абс= ( t+ 273)°C. Комнатная температура в абсолютной шкале лежит около 300°. Абсолютную шкалу температур называют также шкалой Кельвина – по имени известного английского ученого XIX века, и вместо обозначения Т _абсупотребляют обозначение TK.

Формула газового термометра, определяющая температуру T, может быть записана для абсолютной температуры в виде

Пользуясь равенством 100 V ₀/( V ₁₀₀− V ₀) = 273, приходим к простому результату:

Таким образом, абсолютная температура просто пропорциональна объему идеального газа.

Точные измерения температуры требуют от физика всевозможных ухищрений. В довольно широком интервале температур ртутные, спиртовые (для Арктики) и другие термометры градуируются по газовому термометру. Однако и он непригоден при температурах, весьма близких к абсолютному нулю (ниже 0,7 K), когда все газы сжижаются, а также при температурах выше 600 °C, когда газы проникают через стекло. Для высоких и очень низких температур пользуются иными принципами измерения температур.

Что же касается практических способов измерения температуры, то их множество. Большое значение имеют приборы, основанные на электрических явлениях. Сейчас важно запомнить лишь одно – при любых измерениях температуры мы должны быть уверены, что измеряемая величина вполне совпадает с тем, что дало бы измерение расширения разреженного газа.

Высокие температуры возникают в печах и горелках. В кондитерских печах температура достигает 220–280 °C. Более высокие температуры применяются в металлургии – 900–1000° дают закалочные печи, 1400–1500° – кузнечные. В сталеплавильных печах температура достигает 2000°.

Рекордно высокие печные температуры получают с помощью электрической дуги (около 5000°). Пламя дуги позволяет «расправиться» с самыми тугоплавкими металлами.

А какова температура пламени газовой горелки? Температура внутреннего голубоватого конуса пламени всего лишь 300°. Во внешнем конусе температура доходит до 1800°.

Несравненно более высокие температуры возникают при взрыве атомной бомбы. По косвенным оценкам, температура в центре взрыва достигает многих миллионов градусов.

В самое последнее время предприняты попытки получить такие сверхвысокие температуры в специальных лабораторных установках (Огра, Зета), изготовляемых у нас и за рубежом. На кратчайшее мгновение удавалось достигнуть температур до двух миллионов градусов.

Сверхвысокие температуры существуют и в природе, но не на Земле, а на других телах Вселенной. В центрах звезд, в частности Солнца, температура достигает десятков миллионов градусов.

Поверхностные же участки звезд имеют значительно более низкую температуру, не превышающую 20 000°. Поверхность Солнца нагрета до 6000°.