Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами

Куда бы мы ни бросили взгляд, мы везде найдем приспособления либо для нагрева, либо для охлаждения окружающих нас предметов. Если у нас достаточно электричества и газа и есть возможность платить за них, нам легко превращать тепло в холод и наоборот. Но зачем мы это делаем? Почему согретые зимой или охлажденные летом дома не остаются такими весь сезон? К чему эти бесконечные танцы вокруг температуры? Почему мы все время гоним то тепло, то холод? Что можно тут изменить?

Непреложные законы

Все законы – компромисс, который мы заключаем, чтобы жить спокойно и мирно: ведите себя скромно, соблюдайте общественные договоры, и вас оставят в покое и позволят делать то, что вам нравится. Но у вас всегда есть выбор. Вы можете нарушать закон ради личной выгоды и оказаться перед риском наказания – от негодующего пыхтения соседей до электрического стула.

Законы физики иные: они абсолютны, компромиссов здесь быть не может. Не нужны адвокаты или суды, судьи и присяжные, чтобы оценить степень соблюдения законов и вынести обвинительный или оправдательный приговор. Законы физики черно-белые. За их соблюдение не положена награда, и можно не бояться наказания за их нарушение. Законы физики просто нерушимы. Здесь нет эквивалента преступлению: нарушение закона никогда не может идти дальше игры ума (или, как любят говорить физики, «мысленного эксперимента»). Либералы восхищаются противоречащими этому словами Боба Дилана из песни Absolutely Sweet Marie («Ты должен быть честным, живя за пределами закона»), но такой идеализм в физике невозможен: за пределами ее законов жизни нет. И точка.

Каковы же эти законы? Пара важнейших из них объясняют, почему тепло и холод (просто отсутствие или недостаток тепла) ведут себя именно так. Это законы термодинамики. Они дают исчерпывающие объяснения всех проблем с теплом и холодом и еще много чего. Слово «термодинамика» означает «тепло в движении», и ее законы объясняют, почему машины тратят энергию впустую, теплоэлектростанции нуждаются в таких гигантских башнях охлаждения, у коров такие чудесные влажные носы, а собаки высовывают свои языки. Даже почему северные овцебыки подолгу неподвижно стоят в снегу.

Горячие изнутри

Тепло – вид энергии, который вещи и материалы приобретают в связи с тем, что их атомы или молекулы начинают активно двигаться (приобретают кинетическую энергию). Теплые предметы характеризуются более активным движением атомов, чем холодные. Газ (например, пар) имеет более высокую температуру и больше внутренней кинетической энергии, чем эквивалентный объем жидкости (например, воды), которая, в свою очередь, теплее и располагает большей кинетической энергией, чем жидкость в твердой форме (лед). Если вы подогреваете газ, атомы и молекулы в нем начинают двигаться активнее и чаще сталкиваются друг с другом. Такой способ описания тепла, содержащегося внутри предметов, в качестве столкновений атомов, похожих на столкновения электрических автомобилей в парковом аттракционе, называется молекулярно-кинетической теорией (МКТ). Она объясняет большую часть того, что мы знаем о тепле и как оно работает.

Температуру предметов и материалов многие связывают с тепловой энергией (теплотой). Но это несколько иное. Температура показывает, насколько тепла или холодна та или иная вещь или субстанция, а не сколько тепловой энергии она содержит. Это иногда непонятно и сбивает с толку до тех пор, пока вы не задумаетесь о разнице между чашкой горячего кофе и айсбергом, достаточно большим для того, чтобы потопить «Титаник». Кофе из кофеварки имеет температуру около 90 °C, а температура айсберга составляет –10 °C или даже меньше. Но кофе – всего лишь чашка воды. Хотя она содержит огромные количества молекул, а их энергия весьма высока (вода-то горячая), она конечна (мы можем оценить ее, умножив среднюю энергию одной молекулы на их количество). Айсберг значительно холоднее, но он и несравненно больше, и это здесь главное. Каждая молекула воды в нем содержит меньше энергии, но их в айсберге так много, что его энергия намного больше. Кофе теплее, но обычный айсберг содержит примерно в 200 млн раз больше тепловой энергии[213].

Жизнь по закону