Текст книги "Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек"

Автор книги: Сергей Бердышев

сообщить о нарушении

Текущая страница: 7 (всего у книги 25 страниц)

Законы газов

Учение о теплоте успешно развивалось во многом благодаря прогрессу в ряде остальных физических наук. Фундамент теоретических и практических знаний ученых и изобретателей XVII–XIX вв. опирается на положения о способности водяного пара совершать работу и о молекулярном строении вещества. Однако эти положения и сами должны иметь некий базис. Таковой возник после открытия давления воздуха, а впоследствии дополнился изучением свойств газообразных веществ. Механика и кинетическая теория газов, бурно развивавшиеся с середины XVII в., обогатили представления физиков о процессах в системах молекул и способствовали разработке замечательных технических изобретений.

Открытие параметров газа

Термин «газ» ввел голландский химик Я. Ван-Гельмонт для обозначения всех веществ, пребывающих в газообразном состоянии. Это слово происходит от древнегреческого «хаос», которое имеет два значения – беспорядок и сияющее пространство. Ван-Гельмонт выбрал, в чем он сам впоследствии признавался, последний вариант. Тем самым химик намеревался уже в самом названии показать, что газ «ничем не отличается от хаоса древних».

Сегодня физикам известно, что для описания газа вполне подходят оба значения слова «хаос», потому что молекулы газа находятся в крайне беспорядочном состоянии. И все же мы всегда имеем дело с газом как сколько-нибудь упорядоченной физической системой. Дело в том, что подлинный беспорядок в газе возникает лишь во время рассеивания его в мировом пространстве.

Огромные, растянувшиеся подчас на сотни миллиардов километров туманные скопления холодного газа во Вселенной расширяются во всех направлениях, встречая лишь слабое сопротивление космической среды, а именно одиночных частиц и излучения. Молекулы и атомы расходятся по разным направлениям. Лишь конечность скорости препятствует стремительному рассасыванию газовых туманностей.

На Земле и других планетах газ пребывает в более или менее упорядоченном состоянии. Во-первых, благодаря силе тяжести, действующей на все без исключения планетные тела, газ здесь обладает весом. Далее (о чем уже сообщалось в разделе о давлении воздуха) в замкнутом пространстве газообразное вещество приобретает давление. Если в мировом пространстве значительно разреженные туманности не обладают реальной температурой, то газы в ограниченном объеме способны аккумулировать лучистую энергию солнца.

Температура, в свою очередь, влияет на давление. Например, земной воздух от неоднородного нагрева становится легче в одной местности и вытесняется более прохладным и тяжелым, поступающим из соседних регионов. Перемещения легких и тяжелых масс связаны с неравномерным распределением воздушного давления и порождают потому ветер и перемены погоды. Воспетые романтиками морские бризы являют собой типичный пример замены воздушных теплых и холодных масс на границе суши и моря в течение суток.

Не менее часто случается наблюдать и другой процесс. Знаете ли вы, отчего на больших высотах воздух холоден, хотя он там ближе к потоку солнечной энергии? Солнце не нагревает воздух напрямую, он получает солнечное тепло, отраженное землей или отданное океаном. Поэтому теплые массы воздуха скапливаются в приземном слое. Они легче, чем вышележащие холодные массы, а потому постепенно вытесняются ими. Легкий воздух вытесняется тяжелым вверх, расширяется в высших слоях атмосферы, где пространство больше, и оттого остывает.

Таким образом, система газообразного тела обладает еще одним параметром – объемом, который тесно связан с температурой и давлением. Плодотворно изучать свойства газов оказалось возможным лишь после того, как физики пришли к представлению о существовании трех названных параметров и вывели т. н. газовые законы. Эти законы провозглашают взаимосвязь между различными параметрами. Короткий рассказ о земной атмосфере и происходящих в ней явлениях убеждает, сколь разнообразны подобные взаимосвязи и как необходимо их изучение для познания физики газов.

Открытие атмосферного давления в середине XVII в. послужило отправной точкой для начала глубоких, всесторонних исследований свойств газа. Эти исследования были обусловлены также растущими нуждами промышленности, которая нуждалась в химическом производстве, а в дальнейшем начала использовать силу пара в тепловых машинах. Уже в XVII столетии был открыт один из классических газовых законов, вошедший во все учебники физики. Его авторами были англичанин P. Бойль и француз Э. Мариотт, которые почти одновременно и независимо друг от друга пришли к открытию этого закона.

Закон Бойля-Мариотта касается изменяющихся параметров газа постоянной массы, как, впрочем, и все остальные газовые законы. Масса должна быть постоянной, поскольку это означает неизменное количество молекул. Бойль и Мариотт проводили в целом сходные опыты, не имевшие принципиальных отличий. В частности, Бойль использовал изогнутую стеклянную трубку, которую заполнял ртутью через ее открытый конец, тогда как второй был запаян. Изгиб делил трубку на два неравных колена – длинное с открытым концом и короткое с запаянным концом.

По мере прибавления ртути в длинном колене жидкий металл оказывал все большее давление на воздух, который оказался «запертым» в коротком колене с запаянным концом. Поэтому Бойль имел возможность наблюдать процесс сжатия воздуха по мере возрастания давления. Рассчитать давление было нетрудно, поскольку объем добавленной в трубку ртути был ученому прекрасно известен. Измерения показали, что при неизменной температуре изменение давления обратно пропорционально изменению объема.

Закон Бойля-Мариотта имеет любопытные следствия. Например, этот закон гласит, что скорость истечения газа из емкости не зависит от давления этого газа. Внешнее давление, если оно меняется, будет оказывать влияние на истечение газовой струи, но никак не на собственное. Истечение газа в вакуум полностью подтверждает справедливость этого утверждения. Сжатый газ при любой силе сжатия вытекает с одинаковой скоростью. Причиной тому является взаимосвязь газовых параметров. Так как объем обратно пропорционален давлению, то плотность газа (масса на объем) прямо пропорциональна давлению.

Получается, что стоит сжать газ с большей силой, как пропорционально возрастает плотность и масса вещества истекающей струи. Масса и сила связаны по второму закону Ньютона. Их отношение дает ускорение. Поскольку масса и сила изменяются пропорционально друг другу, ускорение останется неизменным. А значит, и скорость струи газа не увеличится. Другим удивительным следствием газового закона является то, что он зачастую не соблюдается.

Рассмотрим другой пример. На дне океана находится пузырек воздуха. С какой глубины он сможет подняться? Всем прекрасно известно о страшном давлении воды на больших глубинах, способном раздавить корпус подводной лодки. Естественно, пузырек будет сжиматься, и на определенной глубине плотность воздуха сравняется с плотностью воды. Воздух перестанет быть легким, следовательно, пузырек не сможет всплыть.

Поскольку, согласно закону Бойля-Мариотта, плотность газа прямо пропорциональна его давлению, то не будет ошибкой предположить, что при давлении 81 040 кПа (в 800 раз больше атмосферного) воздух сожмется в 800 раз. Его плотность окажется в 1,03 раза выше плотности воды. Поскольку такое давление царит на больших глубинах Мирового океана (свыше 4000 м), то практически нигде здесь воздушный пузырек не может всплыть на поверхность. Однако в таких рассуждениях как раз и содержится ошибка.

Закон Бойля-Мариотта справедлив лишь для небольших давлений. При столь существенном сжатии он уже перестает действовать. Полностью соответствует закону идеальный газ – модель, в которой игнорируются размеры молекул и их взаимное отталкивание. В природе из всех реальных газов подобен идеальному только водород, и то его молекулы не позволяют свободно менять давление и плотность газа. Воздух же отступает от действия закона уже при сжатии до давления 20 260 кПа (в 200 раз больше атмосферного). Его плотность превосходит плотность воздуха при нормальном давлении всего в 190 раз.

Дальше отступления от закона Бойля-Мариотта становятся все более существенными. Под давлением около 81 МПа плотность воздуха возрастает примерно в 400 раз, что в 1,9 раза меньше плотности воды. Воздух становится практически несжимаемым при давлении 151 980 кПа. Чтобы довести его до плотности воды, потребуется приложить давление 506 625 кПа, т. е. свыше 500 млн Па! Таким образом, пузырек воздуха всплывет даже со дна Марианской впадины (11 022 м) – самого глубокого желоба Мирового океана.

К слову, все прочие газовые законы – Шарля и Гей-Люссака – справедливы также при низких давлениях и температурах, близких по значению к норме. Под нормой, а точнее, нормальными условиями в физике понимаются условия с температурой +20 °C и атмосферным давлением (101 325 Па, или приближенно 101,3 кПа). Вообще, оба названных газовых закона следует считать законами Гей-Люссака, именно так они и называются во многих книгах. Дело в том, что именно этот ученый вывел оба закона, хотя обоснован один из них (изохорический) был Шарлем.

Оба закона показывают изменение температуры сначала при постоянном давлении, а затем при постоянном объеме. Впоследствии, в середине XIX в., на основании найденных Бойлем, Мариоттом, Шарлем и Гей-Люссаком соотношений английский инженер Б. Клайперон и великий русский химик Д. И. Менделеев вывели объединенный газовый закон. Он гласит, что отношение произведения давления на объем к температуре газа есть величина постоянная.

Дизельный двигатель и другие изобретения

Благодаря соотношению газовых параметров удалось объяснить принципы адиабатического процесса в газах, протекающего на больших высотах в атмосфере, когда расширяющийся воздух остывает. Изменение объема и давления этого воздуха происходит одновременно и вызывает вполне естественное изменение температуры. Кинетическая теория добавляет к этой зависимости свое толкование. Воздух затрачивает внутреннюю энергию на такое расширение. Поскольку нагретость газа является условной мерой энергии движения молекул, то падение энергии неизбежно приводит к понижению температуры.

Дизельный двигатель был сконструирован при попытках повысить коэффициент полезного действия обыкновенных автомобильных двигателей внутреннего сгорания. Если при адиабатическом расширении газа его температура сильно падает, то обратный процесс – сжатие – должен приводить к существенному повышению температуры. Чем горячее сжатый газ, тем быстрее он сгорает. Горение при высоких температурах повышает эффективность работы двигателя.

Но в двигателях внутреннего сгорания сильно сжимать газ невозможно. Если превысить нормальное сжатие более чем в 5 раз, то газ воспламеняется значительно раньше положенного времени. Горючее вещество детонирует, что может привести к взрыву.

Немецкий изобретатель P. Дизель в конце XIX в. сконструировал двигатель нового типа, где эта проблема решалась сама собой. Начальный вариант устройства был предложен конструктором в 1897 г. Двигатель Дизеля, называемый ныне просто дизелем, позволял развивать 10-кратное сжатие газа.

Любопытно, что самим газом является не горючее вещество, а просто воздух. Он разогревается настолько, что в нем самовоспламеняются капельки жидкого топлива (прежде это была главным образом нефть). Оно намеренно разбрызгивается через форсунку посредством нагнетаемого компрессором воздуха. Сегодня наличие такого компрессора не является обязательным, он отсутствует на многих моделях дизеля. Температура сжатого воздуха в дизеле составляет +600 °C. Двигатель не нуждается в системе зажигания и способен работать на неочищенном топливе, в т. ч. и на нефти. У дизеля есть и множество других достоинств.

Один из самых первых массовых дизельных двигателей был поставлен в 1921 г. на тракторе марки «Ланц-Бульдог» германского производства. Примечательной чертой раннего дизеля следует назвать особенности его работы. Двигатель запускался посредством 10-минутного разогрева головки цилиндра. Для этой цели тракторист использовал паяльную лампу.

Когда эта процедура была выполнена, тракторист нацеплял съемное рулевое колесо на ось маховика и раскручивал последний. Затем рулевое колесо возвращалось обратно на колонку. Чтобы двигатель начинал вращаться в обратную сторону, трактористу требовалось сбавить число оборотов до предельно минимального значения и резко дать газ. Только таким способом удавалось добиться движения трактора задним ходом.

В наше время обращение с двигателем значительно упростилось, хотя устройство по-прежнему требует от водителя высокой технической культуры. Устанавливать дизель на автомобили не совсем удобно, хотя ряд его несомненных преимуществ перед четырехтактным газовым двигателем заставил инженеров поработать и в данном направлении. Широкое распространение легковые автомобили на дизелях получили только в 1970–1980-е гг. Какова окажется дальнейшая судьба этого вида транспорта, покажет будущее.

Газовые законы обязательно учитываются при изготовлении кислородных и других газовых баллонов, манометров, судов на воздушной подушке и прочих устройств. Подводные исследования с аквалангом, организованные благодаря Ж.-И. Кусто, обязаны своим проведением физике газов. Если бы создатели приспособлений для подводного плавания не учли сжимаемости воздуха, то аквалангисты непременно погибли бы. Читатель наверняка удивится, когда узнает, что человек не может находиться на глубине свыше 2 м.

Уже глубина в 60 см плохо влияет на сердечную деятельность и дыхание, а метровые глубины для многих опасны. Так происходит, если ныряльщик дышит воздухом, давление которого равно атмосферному. Давление воды на грудную клетку человека значительно выше, и если оно не уравновешивается противодавлением, то это неизбежно приведет к физиологическим нарушениям. Данное утверждение было проверено учеными на себе в смелых опытах. Экспериментаторы пытались дышать атмосферным воздухом через соломинку, пребывая на глубине 2 м.

Баллоны акваланга заполняют сжатым воздухом, а для больших глубин, во избежание появления у аквалангистов кессонной болезни, используют смесь кислорода с гелием, т. н. гелиокс. Соотношение компонентов газовой смеси подбирается опять же таким образом, чтобы ее давление уравновешивало давление воды на тело ныряльщика.

4. Познание мироздания

При слове «мироздание» современный человек традиционно представляет бесконечную черноту космоса, густо усеянную звездами, и несущуюся в этой пустоте по своей орбите нашу бело-голубую планету под названием Земля. Эти образы стали частью мироощущения современного человека сравнительно недавно. Еще тысячу лет назад подавляющее большинство людей верило в то, что Земля имеет плоскую форму, мирно покоится на слонах, золотой лягушке, гигантской черепахе, китах и прочих реальных или полусказочных животных.

Процесс познания строения Вселенной был чрезвычайно долог, полностью он не завершился и по сей день. Выдающиеся открытия позволили человеку заново увидеть космос, а созданные при помощи этих открытий замечательные изобретения способствовали началу эры космонавтики – времени покорения мирового пространства.

Полет к звездам

Возможно, это покажется в какой-то степени странным и необычным, но все фундаментальные физические законы, вскрывшие тайны космоса, послужили базисом не только для астрономии. На их основе сформировалась современная космонавтика, т. е. были изобретены технические средства для дальнейшего познания Вселенной. Получается замкнутый круг, в котором положительный эффект от одного события увеличивается последующим. Цепочка взаимосвязанных открытий и изобретений проложила человечеству дорогу в космос, которую писатели давно образно окрестили дорогой к звездам.

Открытие количества движения

Первооткрывателем количества движения явился великий французский ученый и мыслитель XVII столетия, основатель дедуктивного метода мышления P. Декарт. Он предположил, что при столкновении двух движущихся тел происходит обмен движениями. Одно из тел ускоряется, а второе, напротив, замедляется. Но в целом количество движения остается неизменным. То есть сумма количеств движения обоих тел сохраняет свое прежнее значение.

Например, примем количество движения тела А за 5 единиц, а тела Б – за 10 единиц. Естественно, абстрактные единицы здесь взяты вместо реальных для большей наглядности. При обмене количеством движения во время столкновения тела приобрели новые значения количества движения: для А оно равно 7, для Б – 8. Сумма, однако, не изменяется, она остается равной 15 единицам. Названная физическая величина представляет собой произведение массы тела на его скорость.

Обычно ученые называют количество движения импульсом тела. Не следует путать импульс тела с импульсом силы, который равен произведению силы на время ее действия. Читателя может удивить, откуда взялись столь странные величины. Они выведены из второго закона Ньютона. Согласно этому фундаментальному закону механики, под действием силы массе можно сообщить некоторое ускорение, причем масса и ускорение прямо пропорциональны значению силы.

Отсюда становится ясно, что за время, пока действует сила, происходит изменение скорости (ускорение) массы. Так как произведение времени на силу есть импульс силы, а произведение массы на скорость есть количество движения, то получается, что изменение количества движения равно импульсу силы.

Разумеется, все это было открыто не сразу. Сначала И. Ньютону предстояло сформулировать законы динамики. К слову, когда великий англичанин открыл второй закон динамики, то выразил его посредством декартовой величины – импульса тела. В формуле Ньютона ускорение полностью отсутствует, будучи замененным на более корректное выражение – изменение импульса тела за единицу времени. Ускорение ввели другие ученые, развивавшие классическую механику в посленьютоновский период. Они же тем самым невольно все испортили.

Формула Ньютона легко преобразуется в релятивистское выражение, которое учитывает изменение массы на больших скоростях. Релятивизм (теория относительности), предсказывает, что масса тела, движущегося на околосветовой скорости, существенно меняется. Ньютон не мог предвидеть этого открытия, сделанного на рубеже XIX–XX вв., но гениальный ученый подобрал наиболее верную и удобную форму для выражения физического закона и тем самым опередил научную мысль своего времени.

Если через второй закон динамики в механике закрепляется понятие импульса тела, то через третий закон обосновывается сохранение этой величины. Но все же не будем умалять заслуг Декарта. Он, конечно, не мог сформулировать понятие импульса тела так, как это сделали впоследствии Ньютон и другие механики. Однако заслуга выдающегося французского мыслителя состоит в другом. Он открыл универсальный закон природы, который послужил отправной точкой и для Ньютона, и для других физиков.

Наиболее существенным следствием из закона сохранения количества движения является закон сохранения материи. Впервые этот закон вывел М. В. Ломоносов, выразив его в виде химического закона сохранения количества вещества: «Все перемены, в натуре [в природе] случающиеся, такого суть состояния, что сколько у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому». Ломоносов обосновывает этот закон по аналогии с декартовым законом сохранения импульса тела:

«Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения: ибо тело, движущее своею силою другое, столько же оныя у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает».

В настоящее время материя признана естествознанием неуничтожимой, постоянной. Поэтому законы сохранения всегда справедливы, они являются следствием сохранения количества материи во всех ее формах. Физиками выведены на сегодняшний день законы сохранения количества движения, момента количества движения, работы, механической энергии, полной энергии, зарядов (электрического и др.), изоспина.

Интересно одно удивительное следствие из закона сохранения импульса тела. Если тело обладает способностью отбросить значительную часть своей массы, то перед нами уже система из двух тел, обменивающихся импульсом. Существуют ли в природе такие необычные тела? Да, они существуют. Более того, эти тела вполне обычны. В их числе стоит и человеческое тело. Оно неразрывно связано с Землей, образуя как бы единое целое. Однако силой мышц человек способен… отбросить от себя планету. На самом деле люди отталкиваются от Земли, но эффект получается равный.

Идущий по тротуару пешеход ежесекундно отбрасывает от себя земную массу, что и позволяет ему двигаться. Чем выше скорость отделения земной массы, тем выше скорость нашего движения. Отдача оружия основана на том же принципе. Ружье выбрасывает снаряд со столь большой скоростью, что и само начинает двигаться в противоположную сторону. Некоторые изобретатели в конце XIX столетия задались вопросом, что произойдет, если стрелять постоянно. Очевидно, можно будет двигаться вместе с оружием, чуть ли не лететь на винтовке или пушке!

В 1897 г. академик И. В. Мещерский вывел уравнения для движения тела, постоянно отбрасывающего часть своей массы. Само движение такого рода получило название реактивного. Из уравнений Мещерского следует, что на тело переменной массы действует т. н. реактивная сила, прямо пропорциональная массе отброшенного вещества и скорости удаления последнего относительно тела. Направление этой силы противоположно движению отброшенного вещества и создает реактивную тягу, заставляющую тело двигаться в том же направлении, что и сила. Вот почему оружие отдает при стрельбе в сторону, противоположную полету снаряда. Открытие реактивной тяги позволило сконструировать принципиально новый род техники – космические ракеты.