Текст книги "Вблизи абсолютного нуля"
Автор книги: Борис Смагин
сообщить о нарушении
Текущая страница: 1 (всего у книги 8 страниц)
Борис Смагин
ВБЛИЗИ АБСОЛЮТНОГО НУЛЯ
Термометры и абсолютный нуль
(Вступительная беседа)
аждый вечер радио объявляет нам погоду, что ждет нас на следующий день. Холод, тепло, дожди, снег, вьюга. И какая будет температура.
Температура. Слово известно каждому: «Плюс двадцать», «минус десять», «тридцать градусов жары», «сорок градусов холода», «пятьдесят – ниже нуля». Так говорят о температуре.
Мы меряем температуру по Цельсию. Термометр так и называют термометром Цельсия. Когда пишут о температуре, ставят знак «С». Это означает: шкала Цельсия. Мы говорим: сегодня на улице девятнадцать градусов тепла. Что это значит? Девятнадцать градусов выше нуля по шкале Цельсия – так нужно ответить на этот вопрос. Или написать 19 °C.
Еще недавно висели в наших домах термометры Реомюра. И Реомюр и Цельсий за нуль взяли одну и ту же точку – таяние льда. Вода замерзает и тает при строго определенной температуре. Пока вся не замерзнет или не растает, температура не изменится. Ведь нелегко найти неизменную температуру. Обычно температура все время изменяется. Даже в теле человека она «гуляет» из стороны в сторону на десятые доли градуса.
А точка таяния льда – основная для термометров – незыблема.
Второй опорной точкой оба создателя шкалы термометров сделали кипение воды. Здесь тоже температура постоянна.
Пока вся вода не вскипит, температура не меняется. И вот тут-то пути создателей термометров разошлись. Точку кипения воды Цельсий обозначил как 100 градусов, а Реомюру больше по сердцу пришлось число 80. Значит, один градус шкалы Реомюра составляет 5/4 градуса шкалы Цельсия.
Есть еще одна, третья шкала температур. Ею пользуются в Англии и США. У одного из американских писателей есть небольшой рассказ про больного мальчика. Он знал, что температура у человека повышается при сильных заболеваниях до сорока с небольшим градусов.
И вдруг услышал слова отца, который измерял ему температуру. Мальчика охватил ужас – ведь температура оказалась около ста градусов. И он приготовился к неминуемой смерти от такого страшного жара.
Между тем никакого жара и не было. Просто отец дал ему градусник с третьей шкалой – градусник Фаренгейта. Для этой шкалы девяносто шесть градусов – нормальная температура человека. Вы все, конечно, помните, как герои Джека Лондона великолепно себя чувствуют при холоде в шестьдесят и семьдесят градусов. Это опять-таки по Фаренгейту. А по Цельсию «ужасов» там нет. Обычные для Арктики морозы.
Термометры бывают ртутные или спиртовые. Ртуть и спирт при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. Поэтому и перемещается столбик ртути или спирта вдоль шкалы термометра.
На шкале, если мы делаем термометр сами, мы первым долгом отметим две основные точки. Опустим металлический шарик ртутного термометра в замерзшую воду и отметим нуль. Затем переведем его в воду кипящую. И появится вторая отметка – сто градусов. Значит, термометр будет со шкалой Цельсия. Расстояние между этими метками аккуратно разобьем на сто равных частей. И отложим их в обе стороны. И вверх от ста градусов и вниз от нуля. Вверх откладываем смело две тысячи, пять тысяч, десять тысяч градусов – пока шкалы хватит.
А вот вниз от нуля так далеко путешествовать не придется. Там лежит таинственная температурная точка, носящая название – абсолютный нуль.
Какие бы шкалы мы ни выдумывали, на сколько бы частей ни делили расстояния между основными точками температурной шкалы, ниже абсолютного нуля нам пойти не удастся. Эта температура предельная, практически недостижимая. Мы знаем в физике несколько таких величин. Скорость света, например, триста тысяч километров в секунду – большей не существует.
И температур ниже, чем минус двести семьдесят три градуса по Цельсию, тоже не может быть. Это и есть абсолютный нуль —273 °C, точнее —273,16 °C.
Нагревать тела можно сколько угодно. А вот охлаждать…
Миллионы, десятки, сотни миллионов градусов выше нуля. И только двести семьдесят три – ниже! Заграждение, порог. За ним нет ничего.
Зато при подходе к этому порогу происходят разные превращения веществ. И жидкости и газы замерзают, превращаются в тела твердые. И еще другие чудесные вещи происходят вблизи абсолютного нуля.
Вот об этих чудесах, а также о том, как получают сверхнизкие температуры и для чего они нужны, мы и собираемся поговорить. Мы хотим совершить путешествие по шкале температур. Начать от самого обычного нуля Цельсия. А закончить путешествие где-то вблизи абсолютного нуля. У той самой температуры, куда уже добрались ученые. А отличается она от абсолютного нуля всего лишь на одну тысячную градуса. Таким образом, мы подойдем к абсолютному нулю вплотную, побываем в замке самой снежной из всех Снежных Королев!
Когда тепло, а когда холодно
Мир, окружающий нас, бесконечный и разнообразный. Чего только здесь нет: звезды, воздух, солнце, камни, вода, дома, машины, самолеты, всевозможные предметы нашего быта, одежды…
Можно перечислять целыми часами, вспоминать тысячи названий.
А вот физики разбили все, что нас окружает, на три категории: твердые тела, жидкости, газы. И все предметы разошлись, все оказались на своих местах.
Правда, как мы сейчас увидим, тела часто перескакивают из одной такой категории в другую. И даже весьма успешно. Но это как раз связано с нашим путешествием по шкале температур.
Чем отличаются эти три состояния веществ?
Твердое тело сохраняет свой вид, свою форму. Куда бы мы ни перенесли кирпич, он кирпичом и останется. Разве только разбить его. Но и каждый осколок кирпича останется твердым телом.
А вот жидкость займет любой сосуд. Форма ее будет в точности совпадать с формой этого пристанища. Если вылить ее, скажем, на пол, то жидкость растечется по полу, заползет в щели. И не соберешь ее.
Что касается газов, то с ними дело обстоит еще хуже. Тут о форме уже говорить нельзя, жидкость легко перелить из одного сосуда в другой. Но объем свой жидкость сохраняет, что бы вы с ней ни делали.
А вот газ мгновенно распространится в любом помещении.
Твердые тела, жидкости и газы легко отличить друг от друга. Не спутаешь. Правда, есть вар, гудрон и еще кое-какие липучие, вязкие вещества, которые часто зовут переохлажденными жидкостями. Потому что, с одной стороны, они выглядят как твердые тела. А с другой стороны, понемногу растекаются, как очень густая жидкость.
Но в большинстве случаев газ с жидкостью или твердым телом спутать трудно.
Всегда ли газ остается газом, жидкость – жидкостью, а твердое тело – твердым телом? Оставили на ночь в блюдечке воду. А утром ее уже почти не осталось. Мы знаем, что вода не меняет своего объема. Куда же она делась? Испарилась, – отвечают вам.
Еще быстрее исчезают духи из флакона, который мы забыли закрыть. Расходятся они по всей комнате, мы чувствуем их аромат: вместо жидкости появляется газ и смешивается с воздухом комнаты. И вода из блюдечка тоже начала новую жизнь. Теперь она уже не жидкость, а газ – водяной пар.
Воду и духи мы видели. А газы обычно бесцветны. Разлетелись частички бывшей жидкости по комнате, превратились в невидимок. Хорошо, что некоторые невидимки пахнут. Так мы их и обнаружили. А водяные пары, пока их мало, никак о себе знать не дают.
Часто из твердых тел получаются жидкости. По сути дела это чудесное превращение, а мы даже внимания не обращаем на подобные чудеса. Подумаешь, невидаль – снег растаял! А между тем произошло нечто необыкновенное. Вместо твердого снега или льда появилась жидкость – вода. Но никого это не удивляет. Мы просто привыкли к этому. А представьте себе, что подобные «переодевания» стали бы проделывать обычные предметы вашей комнаты – стол, стул, книги! Это было бы настоящим чудом. А тающий лед никого не удивляет!
Зимой, наоборот, вода превращается в лед – твердое тело. Жидкости всегда испаряются, частички жидкости становятся невидимым газом. А могут ли они совершить обратный переход? Почему же нет! Утром на траве появляется роса, в воздухе туман – это водяной пар превращается в воду. То же самое происходит в бане. На стенах висят капельки воды. Откуда берется эта вода? Конечно, из воздуха.
В банном воздухе много водяных паров. И они могут превращаться в воду – конденсироваться. Видите, сколько удивительных превращений все время происходит вокруг нас.
Теперь нам надо остановиться и привести в порядок наши первые сведения о тепле и холоде. Ведь три, состояния вещества и переходы из одного состояния в другое тоже являются мерой тепла и холода.
Твердое тело может стать жидкостью. Это называется плавлением. Жидкость превращается в твердое тело – затвердевает. Из жидкости появляется газ – жидкость испаряется. Или если все это происходит быстро и при определенной температуре, то говорят, что жидкость кипит. Обратное явление, когда из невидимого бесцветного газа появляются капельки жидкости, – конденсация.
Почему же это происходит? Когда, например, вода остается водой, а когда становится льдом?
На этот вопрос, без сомнения, ответит любой из наших читателей.
Ниже нуля градусов вода твердая, между нулем и ста градусами Цельсия – жидкая. Сильней ее нагреют – нет ни льда, ни воды: сосуд наполняет бесцветный газ.
Если мы понаблюдаем за другими веществами, то и там увидим то же самое. И сделаем вывод: для каждого вещества есть своя температура кипения и плавления. Правда, немного смешно говорить, скажем, о плавлении воздуха, который мы привыкли видеть газообразным, или о кипении железа. Но это происходит лишь потому, что мы живем при определенных температурах. И, конечно, привыкли видеть вещества, какими они при этих температурах выглядят. Но ведь в мире не везде так.
Звездные температуры порой достигают миллионов градусов, в межпланетном пространстве свирепствует космический холод – двести с лишним градусов ниже нуля.
Так что условия там будут разные. И вещества будут вести себя совсем по-разному. При температурах космических большинство газов станет твердыми телами. Что касается звезд, то там ни одно вещество не удержится в твердом состоянии. И железо станет газом, и самый крепкий камень, и алмаз, и сталь. Даже и не газом, а еще одним, четвертым состоянием вещества – плазмой. Но об этом мы поговорим несколько позже.
Нас с вами интересует не космическая жара, а космический холод. Температуры космического пространства недалеки уже от абсолютного нуля, который мы собираемся обследовать. Только пространство это пустое – там почти нет вещества.
А мы хотим узнать, как поведут себя в столь необычных условиях самые обычные, известные всем вещества.
Но прежде чем познакомиться поближе с чудесами сверххолода, прежде чем на страницах книги приступить к охлаждению веществ, нам придется пристально посмотреть на них, выяснить, как они устроены, из чего состоят. Лишь когда мы это все узнаем, нам станет ясно, как подобраться как можно ближе к абсолютному нулю.
В свое время науке понадобилось для этого много десятков лет.
Некоторые загадки абсолютного нуля и сверхнизких температур не решены и до сих пор.
Итак, несколько слов о строении вещества.
О часах, винтиках и пружинках
Наверное, почти все когда-нибудь пытались починить или хотя бы разобрать часы. Сколько там различных винтиков, шестеренок, пружинок! Тьма-тьмущая! Разберешь часы – и вот на столе множество разных мелких частей. И собрать их воедино не так-то легко. У неопытного человека может получиться даже так: часы собраны, как будто идут. А на столе осталось несколько винтиков. Лишние они, что ли? – недоумеваете вы. Но вскоре часы остановятся, и вы поймете, что каждый винтик в часах на своем месте. Все части разные, каждая делает свое дело, каждая необходима.
А вот если так же, «до винтика», разобрать какое-нибудь вещество, то окажется, что все эти «винтики» совершенно одинаковы.
Только их очень много. Взяли мы как будто самую малость – крупинку. А частичек, из которых она состоит, набралось на удивление много. И все они для данного вещества одинаковы. Называются эти частички молекулами.
Именно поведение молекул и диктует веществу, в каком состоянии оно должно находиться – быть ему газом, жидкостью или твердым телом. Но мы ведь говорили, что это зависит от температуры тела? Конечно. Только сейчас надо внести маленькую поправку – температура тела связана только с поведением его молекул тем, как они двигаются.
Весь наш мир, все, что мы видим, чувствуем, состоит из различных молекул. И камень, и вода, и стены дома, и сахар, и воздух, и далекие звезды, и мельчайшие вирусы, и сами мы – все это скопище неисчислимого множества молекул.
Без любой, самой завалящей пружинки часы правильно ходить не будут. А вещество, если даже потерять миллион молекул, все равно останется таким же.
Молекулу глазом не увидишь, в руку не возьмешь, на язык не положишь. И расположены они в телах на изрядных расстояниях друг от друга. Вот, например, карандаш. На вид он твердый, гладкий, как будто никаких отверстий там нет. Но он состоит из множества молекул. И между ними – пустое пространство. В любом теле гораздо больше пустоты, чем молекул.
Почему же мы эту пустоту не замечаем? Да потому, что и молекулы, и расстояния между ними настолько малы, что для нас все это сливается в единое целое. Так ведь и Луна издали кажется плоским блином с нарисованными на нем темными и светлыми пятнами. А между тем это круглая планета, где есть горы, впадины, холмы…
И мы, разглядывая карандаш, не видим в нем ни молекул, ни пустых мест.
У молекул есть свои законы – законы, по которым живут эти мельчайшие частички.
Первый закон: молекулы находятся в беспрерывном движении. Остановиться молекула не может. Даже самый шаловливый мальчик, самый непоседливый все-таки лежит спокойно, когда спит. Молекулы же не спят и не отдыхают. Они вечно двигаются.
Второй закон мира молекул еще интересней: они притягиваются друг к другу, а когда подойдут очень близко – отталкиваются.
Поэтому и получается, что молекулы стремятся к другим молекулам, а подлетев, тотчас же разлетаются в разные стороны.
Третий закон: молекулы данного тела одинаковы. Одинаковы все их свойства. И получается, что, собравшись вместе, молекулы соли образуют соленую соль, сахара – сладкий сахар, железа – твердое железо.
Карик и Валя из известной детской повести совершили увлекательное путешествие. Они превратились в крошечных карликов и наблюдали за жизнью насекомых и растений вблизи. Они боялись муравьев, мух, стрекоз, так как сами были размерами гораздо меньше этих насекомых. Зато сколько интересного и необычайного открылось им, сколько чудес они увидели своими глазами!
Но если бы Карик и Валя уменьшились до размеров молекул, то чудесного в их путешествии было бы гораздо больше.
Ведь в том, что они видели в растительном и животном мире, ничего неожиданного нет. Стрекоза остается стрекозой, хоть и становится страшной для человека размером с муравья. И цветок тоже остается цветком, хотя путешествовать по нему приходится несколько часов.
Но любое знакомое нам тело: кирпич, кусок железа, рубаха, вода – все, что мы видим вокруг себя, молниеносно преобразится, станет таинственным и непонятным, как только мы сможем наблюдать за поведением молекул.
Многие фантасты любят посылать своих героев в далекие миры, заполненные дикими существами, странными растениями. А зачем ездить так далеко? Путешествие внутрь любого из привычных нам веществ не менее захватывающее. А то, что мы там увидим, не сравнится ни с какими фантастическими мирами.
Молекулы, конечно, одни и те же. Но почему же тогда так различны лед и жидкая вода, составленные из тех же самых молекул? Может быть, молекулы ведут себя там по-разному?
Или находятся в различных условиях?
Путешествие внутрь веществ могло бы нам помочь объяснить это. Мы бы воочию убедились в том, как в разных телах расположены молекулы. Но, не имея пока возможности предпринять такое путешествие, хотя бы поговорим о том, что там происходит.
Молекулы в веществе, обладающем тремя состояниями, одни и те же. Разница в том, как они двигаются.
Именно из-за этого тела становятся твердыми, жидкими и газообразными.
В твердых телах молекулы степенно путешествуют в разные стороны около одной точки. Далеко не уходят. В науке такие движения называются колебаниями. Твердое тело сохраняет свою форму. Ведь все молекулы в общем-то находятся на своих местах. А те небольшие движения, которые они совершают, мы и не замечаем. Даже Карик и Валя, ставшие такими маленькими, их бы тоже не заметили.
Но вот перед нами жидкость. Ее можно легко переливать из одного сосуда в другой. Из миски в стакан, из стакана в кружку. И так далее. Как же поживают молекулы в жидкости? Довольно свободно. Внутри жидкости они путешествуют, как хотят. Но как только какая-нибудь свободолюбивая молекула подскочит к поверхности жидкости, захочет вырваться оттуда, так сразу же беглянку вернут на место. Молекулы, которые находятся около поверхности, вцепятся в нее мертвой хваткой.
Ведь молекулы притягиваются друг к другу. И когда все молекулы потянут одну внутрь жидкости, с такими силами ей уже не справиться. Попытка к бегству сразу же ликвидируется.
Вот молекулам газа жить гораздо легче. Их уже ничто не удерживает вместе. Куда бы мы ни выпустили газ, он мгновенно займет весь объем сосуда – все равно банка это, цистерна или комната.
Можно сказать так: молекулы твердого тела привязаны к своим местам, жидкого – полусвободны. А молекулы газа свободны полностью.
Но почему это происходит? Почему бы молекулам твердого тела не разбежаться, а молекулам газа не собраться вместе?
Все дело в температуре. Мы ведь выяснили, что именно с температурой связан переход тела из одного состояния в другое. Из твердого в жидкое, из газа в жидкость.
Остается одно – как-то совместить температуру и движение молекул.
С одной стороны, состояние вещества зависит от его температуры. С другой – каждому такому состоянию соответствует своя особенная «жизнь» молекул.
Существует и четвертое состояние вещества. Та самая плазма, о которой мы с вами уже говорили. Если газ нагревать дальше, то может случиться, что молекулы его, ударяясь друг о друга, сами начнут рассыпаться на составные части. Все равно что винтики разобранных часов разбить на маленькие кусочки. Когда все молекулы газа развалятся на части, газ превратится в плазму.
В плазме можно найти самые разнообразные частицы: свободные электроны, положительные ионы, получившиеся из обыкновенных молекул, после того как те потеряли часть электронов. Немало в плазме и обычных электронейтральных молекул.
Солнце – это громадное сборище плазмы, причем раскаленной. И звезды плазма. Самая обычная молния, которую каждый из вас много раз видел, северные сияния, электрическая дуга – тоже плазма.
Но плазмой мы заниматься не будем, а посмотрим на поведение молекул в привычных для нас всех трех состояниях вещества – твердом, жидком и газообразном.
Что такое температура
В учебниках на сей счет существует два ответа. Температура – мера нагретости тела, утверждают одни учебники. Температура – мера тепловой энергии молекул, добавляют другие.
Действительно, температура показывает, как нагрето тело. Говорим же мы – на улице двадцать градусов. А что это значит, знает каждый. Температура воздуха, степень его нагретости и есть эти самые 20 градусов. И когда на пляжном щите написано «температура воды 23 °C», то все понимают, что вода нагрета до двадцати трех градусов и купаться хорошо. Даже, пожалуй, слишком теплая вода.
С другой стороны, мы упомянули о тепловой энергии. Это тоже правильно.
Чем температура тела выше, тем оно теплее, горячее, тем больше в нем тепловой энергии. Ее мы и называем теплом.
Чтобы тело нагреть, надо ему откуда-то подать эту тепловую энергию. Чиркнули мы спичкой, зажгли газ. И на плиту поставили чайник. Газ горит, выделяется тепловая энергия, чайник нагревается, передает энергию воде. Потом закипит вода. Вот куда пошла энергия сожженного в горелке газа. Счетчик нам эту энергию подсчитывает в точности.
Тепловая энергия тела, разумеется, сейчас же передается его частичкам – молекулам. Если тело твердое, то молекулы, получив причитающуюся им порцию энергии, начинают колебаться быстрее. И колеблются тем чаще, чем больше энергии поступает в их распоряжение. Если измерять температуру, то она все время будет увеличиваться. А потом застопорится, застынет на месте. Это сигнал – тело начало плавиться. И тепло теперь идет не на то, чтобы увеличивать температуру. Надо сорвать молекулы с насиженных мест, оторвать их друг от друга, увеличить внутреннюю энергию. Вот куда расходуется тепловая энергия. Изобретателям термометров это обстоятельство на руку. Пока все тело не расплавится или, наоборот, пока вся жидкость не застынет – температура его не изменится. Значит, можно использовать его для так называемой опорной – основной точки шкалы термометра.
Мы ведь как раз это и делали, когда опускали ртутный шарик в замерзающую воду.
Но вот все молекулы бывшего твердого тела сорвались со своих мест и путешествуют как хотят. Превращение совершилось. Перед нами жидкость. А мы продолжаем поставлять тепловую энергию.
Теперь уже нагревается жидкость. Ни одна кроха тепла не пропадет, сразу же жидкость отзовется повышением температуры. Дойдет дело до точки кипения. И снова остановка – пока не выкипит вся жидкость, температура стоит на месте как вкопанная. Ни шагу дальше.
Что касается газа, то его можно нагревать сколько угодно. Правда, там тоже появится нечто новое. Но это при очень больших температурах. Тут уж и от молекул «щепки полетят». Так получается новое, четвертое состояние вещества – плазма.
Но вернемся к веществам обычным.
Что мы с ними делали? Нагревали, повышали температуру. И увидели, что это тотчас же отражалось на поведении молекул.
Остается добавить, что наиболее прыткие молекулы жидкости, у которых самая большая скорость, покидают поверхность жидкости задолго до кипения. Это и есть испарение. Мы уже говорили об этом. И вспомнили, что в бане на стенах появляются капельки воды. Там происходит конденсация. Часть водяных паров становится снова жидкостью.
От чего зависит состояние тела? От температуры! С чем связана температура? С движением молекул. Чем температура больше, тем с большей скоростью они двигаются.
Выходит, температура – мера движения молекул, мера их скорости. Строго говоря, температура определяет кинетическую энергию движения молекул. Кинетическая – как раз и означает энергию движения.
На первый взгляд нагретое тело ведет себя спокойно. Какое уж там движение? Кинетической энергией обладает, например, падающая с плотины электростанции вода, летящий камень, движущийся поезд. Попробуйте их остановить! А тут энергия и… покой! Дело в том, что энергию движущихся тел мы, так сказать, видим своими глазами. А энергия движения молекул – скрытая, невидимая, внутренняя. Лежит, например, на земле камень. Лежит спокойно, тихо, никого не трогает. Но внутри его скрыто во много раз больше энергии, чем в другом, который с грохотом и пылью летит вдоль горного склона.
И именно температура показывает, сколько тепловой энергии скрыто в данном теле. Больше ее стало или меньше.
Тепловая энергия может легко переходить от одного тела к другому. При этом, конечно, тела обмениваются теплом, а не «горячими» молекулами. Тело горячее постепенно остывает, а холодное – нагревается. Только вот что интересно. Тепло переходит только от горячего тела к холодному. А наоборот – в обратном направлении – идти не хочет.
Так ведет себя река, в которой вода течет лишь в одном направлении – по течению, туда, где уровень реки ниже.
Когда-то давно люди думали, что переносит тепло особое вещество – теплород. И очень удивлялись, что этот теплород такой разборчивый. Никак нельзя отнять его от холодного тела и передать горячему. А теперь мы знаем, в чем дело. Никакого теплорода нет и в помине. Просто молекулы одного тела двигаются быстрее, чем другого. Если эти тела положить один возле другого, то молекулы горячего тела будут подталкивать молекулы тела холодного. Сами они при этом замедлятся. Так продолжается до тех пор, пока скорости обоих тел примерно не сравняются. И тепловая энергия распределится между всеми молекулами.
Это общее свойство тепловой энергии. Сама собой она переходит только от тел более нагретых к телам менее нагретым.
Вот мы с вами и выяснили, что же такое температура. Она, оказывается, показывает, сколько в теле тепловой энергии, как двигаются его молекулы.
И чтобы понизить температуру, чтобы приблизиться к абсолютному нулю, надо эту энергию по возможности отнять у тела. Тогда оно начнет охлаждаться.
Сейчас мы займемся этой операцией. Получить небольшой холод сравнительно нетрудно. Вот пойти дальше, приблизиться к самому абсолютному нулю – задача потяжелее. Но мы справимся и с ней. Мы – на бумаге. А ученые давно уже достигли самых низких температур. Правда, сразу же возникает недоуменный вопрос. Мы все время говорим, что тепловая энергия переходит только к холодным телам. Горячие лишь остывают. Да и то не сами по себе, а если их поместить рядом с телами похолодней. Выходит, чтобы охлаждать тела, мы всегда должны заранее иметь что-то вроде холодильника?
Это все правильно, тепловая энергия сама по себе, самопроизвольно переходит лишь к телам менее нагретым, перемещается только в одном направлении. А вот специальными способами можно заставить ее путешествовать и в обратном направлении. Можно отнимать тепло и у холодных тел. Но для этого надо тратить энергию. Вот, например, стоит у нас дома холодильник. Он все время включен в электрическую сеть. Электричество работает в холодильнике. И в нем холодно. А попробуй-ка выключи его. Через несколько часов там будет тепло, как в комнате.
Создать низкие температуры трудно, но возможно.
Удержать их нелегко. Ведь кругом находятся теплые, горячие тела. Они рады передать кому-нибудь часть своей энергии. Приходится тщательно оберегать холод.
Если заглянуть внутрь стенок холодильника, можно увидеть там много слоев теплоизоляции. А все для того, чтобы не допустить в холодильник тепла из комнаты, чтобы молекулы воздуха не смогли передать молекулам холодильника часть своей энергии.
Горячие тела тоже очень трудно сохранять горячими. Даже если убрать воздух, и то тела остывают. Вы ведь знаете, что тепло от далекого Солнца идет к нам за миллионы километров пустого безвоздушного пространства.
Тепло от печки передается молекулами воздуха. Воздух около печки прогревается, расширяется, уходит вверх. Его место занимает другая порция. И так идет перемешивание, пока все тепло печки не разойдется равномерно по всей комнате.
Молекулы сильно нагретых тел отдают тепло в виде излучения. У них слишком много энергии. Температура велика, двигаются молекулы очень быстро. И отдают лишнюю энергию порциями излучения. Если поднести ладонь к сильно нагретому телу, то от него так и пышет жаром. Это летят невидимые тепловые лучи. Летят они и от звезд, и от нашего Солнца, летят за многие миллионы километров через межпланетное безвоздушное пространство. Именно таким способом Солнце «отапливает» нашу-Землю. Вся Вселенная заполнена этими «путешествующими» тепловыми лучами.
Сейчас их научились находить, ловить даже, когда их совсем мало.
Есть приборы, которые могут обнаружить даже спичку, зажженную на Луне.
Но тела, нагретые не сильно, почти не излучают. Поэтому защитой низких температур служит вакуум – пространство, лишенное воздуха.
