Жидкости

Облако, в которое мы спустились, состояло, как все облака, из жидких капелек почти идеально чистой воды. Это «почти» очень интересно; именно в нем причина того, что дождевая вода не идеально чиста, окна смачиваются дождем, а туман образуется не везде. Воду в облаках нельзя назвать ни чистой, ни невинной – она способна убивать. Ночью и днем где-нибудь на планете бушуют грозы и сверкают молнии – в среднем примерно по пятьдесят в секунду на земной шар, и эта величина достаточно стабильна. По оценкам специалистов, каждый год от молний гибнет более тысячи человек, а пострадавшие исчисляются десятками тысяч. Национальная служба погоды США ведет статистику грозовых смертей и их обстоятельств. В таблице для примера приведены некоторые их записи за 2016 г. Вы видите, что прятаться под деревом – не лучшая идея и опасность может грозить почти где угодно. Но может ли молния достать вас во время полета на самолете? Этот вопрос стоит изучить.

Таблица смертей, вызванных молниями в США. По данным Национальной службы погоды

Облака начинаются как влажное белье на веревке, как лужа на асфальте, как капельки пота на вашей верхней губе, как часть обширного водного океана. Каждую секунду некоторая часть молекул H₂O покидает влажное белье, лужи, губы, океаны и другие водоемы и улетает в воздух. Точка кипения воды составляет 100 °C и определяется как температура, при которой чистая жидкость на уровне моря превращается в газ. Но как же жидкая вода так преображается, не достигая этой температуры? Какой смысл определять точки кипения жидкостей, если вода может всех обманывать: высушивать мокрое белье и вспотевшую кожу, испарять лужи и обнажать дно океана сама по себе, при значительно меньших температурах?

Стоит заметить, что определения твердых тел, жидкостей и газов не настолько просты и очевидны, как кажется, и в любимую игру ученых – классификацию всего и вся в мире и аккуратное распределение всевозможных объектов по категориям – то и дело вмешивается, нарушая придуманные правила, невероятная сложность Вселенной. Чтобы понять, как вода умудряется обманывать систему, создавая облака, мы должны подумать о важной концепции, известной как энтропия.

Вода, пропитывающая сохнущее на веревке белье, имеет температуру ниже 100 °C, но находится в контакте с воздухом. Молекулы из него бомбардируют ваше белье, врезаясь в него в хаотичном движении; иногда в этой суете молекула H₂O отскакивает от ткани и становится частью воздуха. Это событие требует расхода энергии, поскольку связи, удерживающие молекулы H₂O во влажной ткани, необходимо разорвать. Отъем энергии у влажного белья охлаждает ткань. При этом, если молекулы H₂O, летающие в воздухе вокруг белья, будут сталкиваться с ним, они получат энергию, прилипая к белью и увлажняя его снова. Можно подумать, что больше воды пристанет вновь к мокрому белью, чем будет унесено ветром. Но здесь-то и вступает в игру энтропия. Поскольку количество воздуха, обдувающего мокрое белье, так велико, а количество молекул воды в белье мало, шансы на то, что улетевшие молекулы воды найдут дорогу обратно, мизерны. Они, скорее всего, будут унесены вверх, в атмосферу. Такая склонность мира молекул смешиваться и расползаться равномерно измеряется энтропией системы. Ее увеличение – естественный закон Вселенной; он противостоит силам конденсации, привязывает воду обратно к мокрому белью. Чем ниже температура вокруг и чем слабее белье обдувается ветром, тем сильнее равновесие смещается в сторону конденсации, и ваше белье остается влажным. И наоборот, вешая его на веревку в теплый день, вы смещаете равновесие в пользу энтропии, и белье сохнет.

Кроме того, энтропия берет на себя лужи на улице, высушивает ванную комнату после того, как вы приняли душ, и удаляет пот с вашего тела в жаркий день. Можно сказать, что она здесь очень кстати и в целом полезна, если вспомнить о том, как мы любим сухую одежду и ванные комнаты, да и прохладу для тела. Но эта же благодетельная сила собирает тучи-убийцы, которые разят нас тысячами каждый год, швыряясь молниями и напоминая, кто на самом деле в атмосфере хозяин.