Краткая история науки

До сих пор используются две шкалы измерения температуры, одну предложил немецкий физик Даниель Габриель Фаренгейт (1686–1736), который использовал термометры, содержащие и спирт, и ртуть. По его шкале вода замерзает при 32 градусах и нормальная температура тела определяется в 96. Андерс Цельсий (1701-44) придумал другую шкалу, используя как опорные точки замерзание и кипение воды, первую обозначил как ноль и вторую – в 100 градусов. Его термометры показывали температуру между этими двумя крайними значениями.

Обе шкалы в ходу в разных частях мира, их используют и для того, чтобы испечь пирог, и для того, чтобы поныть по поводу погоды.

Шотландский физик Уильям Томпсон (1824–1907) предложил другую шкалу. Этот ученый в особенности интересовался тем, как тепло и другие формы энергии проявляют себя в природе. Томпсон занимал должность профессора в университете Глазго, и позже получил титул лорда Кельвина, поэтому его шкала известна как шкала Кельвина.

В процессе ее разработки он использовал строгие научные принципы и точные инструменты для наблюдений. По сравнению со шкалой Кельвина Цельсий и Фаренгейт выглядят грубыми, приблизительными.

Опорная точка для шкалы Кельвина – «тройная точка воды».

Она случается, когда три состояния воды – лед (твердое), вода (жидкость) и водяной пар (газ) находятся в термодинамическом равновесии. Последнее может возникать в экспериментальных условиях, когда вещество изолировано от окружающего мира таким образом, что температура и давление фиксированы. Поэтому нет изменений в состоянии вещества и никакое количество энергии не покидает систему и не входит в нее. Тройная точка воды достигается, когда твердое вещество, жидкость и газ находятся в идеальном балансе. Как только температура или давление меняется, баланс теряется.

По шкалам Цельсия и Фаренгейта температура уходит в минус, когда становится достаточно холодно. Вы могли слышать, как в прогнозе погоды говорят «минус два или три градуса» или даже больше. Но на шкале Кельвина нет отрицательных значений, вода по ней замерзает при 273,16 градуса (сравните с 0 Цельсия или 32 Фаренгейта), и при нуле наступает настоящий холод. Ноль здесь обозначает настоящее ничто, он именуется «абсолютным нулем», и при этой невероятно низкой температуре все движение прекращается, энергия замирает.

И точно так же как невозможно создать механизм с идеальной эффективностью, так же невозможно достичь и абсолютного нуля.

Кельвин и другие помогли объяснить научные и практические принципы функционирования двигателей разного рода. В конце девятнадцатого века три открытия, изложенных в этой главе, были названы тремя законами термодинамики: сохранение энергии, закон энтропии и абсолютная неподвижность атомов при «абсолютном нуле». Эти законы помогают нам понимать важные вещи относительно силы, энергии и работы.

Тогдашний мир принялся активно использовать вновь обретенную мощь: задвигались машины на фабриках, задымили трубы пароходов и паровозов, а концу жизни Кельвина появились автомобили. Паровозы и пароходы использовали тепло сжигаемого в топках угля, чтобы получать пар, который и оживлял машины, но автомобили оказались основаны на ином принципе, на двигателе внутреннего сгорания.

Такой двигатель требует жидкого, испаряющегося топлива, именуемого бензином, изобретенного в конце девятнадцатого века. И бензин стал одним из наиболее важных источников энергии для века двадцатого, и сейчас, в начале двадцать первого, он остается одним из самых ценных ресурсов для всего мира.

Глава 29 Таблица элементов

Всякий раз, смешивая продукты, чтобы испечь что-то, мы используем химические реакции. Очищая чайник от накипи, мы тоже пускаем в ход достижения науки химии. Пластиковые бутылки для воды, разноцветная одежда, которую мы носим, стали возможными благодаря химическим знаниям, накопленным за сотни лет.

Химия превратилась в современную науку в девятнадцатом веке.

Давайте коротко вспомним: в начале того столетия химики приняли идею Дальтона по поводу атома (глава 21). Затем они резко продвинулись вперед, создав особый язык, который можно было использовать в любой стране мира. Появилась система обозначений для элементов, например, H₂ для двух атомов водорода. Все согласились, что атом является мельчайшей частицей материи, что слово «элемент» будет использоваться только для субстанции, состоящей из атомов одного вида (углерод, например), в «соединении» же будет содержаться два или большее число элементов, связанных химическим путем.

Можно разложить соединение на элементы (аммиак разделить на азот и водород), но когда у вас в руках отдельные элементы, их уже нельзя разбирать на «части» дальше.

Хотя атомы оказались вовсе не крохотными твердыми шариками, о которых думал Дальтон, было невероятно трудно определить, чем в точности они являются. Отложив эту задачу, химики начали заниматься тем, как ведут себя атомы, помещенные в те или иные соединения.