Элен Черски - Физика и жизнь. Законы природы - от кухни до космоса

Стекло – удивительный материал. Оно заключает в себе пластическую прелесть жидкости, при этом вам не нужно беспокоиться о том, куда она потечет. Оно имеет атомарную структуру жидкости – будучи весьма дезорганизованной субстанцией, – но в то же время все признаки твердого тела. Способность отскакивать от твердых поверхностей – один из таких признаков: упругостью обладают твердые тела, но не жидкости. И вы можете видеть последствия наличия подобной структуры, наблюдая за поведением материала при изменениях температуры.

Наверное, настало время развенчать некоторые мифы, касающиеся старых стеклянных окон. Иногда говорят, что трехсотлетние стеклянные окна толще внизу, чем вверху, потому что со временем стекло «стекает» вниз. Это не так: стекло не жидкость и потому не может течь куда бы то ни было. Дело в том, что эти оконные стекла изготавливались весьма своеобразным способом. Шарик расплавленного стекла подхватывали стальным прутом, который очень быстро вращался. В процессе вращения жидкое стекло растекалось в стороны, образуя плоский диск [58]. Диск охлаждался, и затем из него вырезали оконное стекло. Недостаток метода состоял в том, что ближе к центру диск получался толще. Поэтому ромбообразные оконные стекла вырезали таким образом, чтобы утолщение оказывалось на одном из концов, а стекло чаще всего вставляли в раму так, чтобы утолщенный конец находился внизу (это способствовало стеканию дождевых капель с окна). То есть стекло отнюдь не «стекало» вниз, образовывая утолщение. Утолщение находилось внизу изначально!

Нашим стеклянным шарикам не позволили охладиться сразу же и поместили на ночь в печь для того, чтобы их температура снижалась постепенно, в течение всей ночи, пока не сравняется к утру с комнатной. Дело в том, что в первый момент отвердевания стекла позиции его атомов не будут строго фиксированными. Если нагреть такое стекло, позиции атомов несколько изменятся, даже если температура нагрева будет недостаточной для перехода стекла из твердого состояния в жидкое. То же самое происходит при охлаждении стеклянных шариков: позиции атомов несколько меняются. Помещая стеклянные шарики в печь на ночь, мы создаем условия, чтобы это небольшое изменение позиций атомов произошло медленно и равномерно по всей структуре. При быстром и неравномерном протекании процесса несбалансированные внутренние силы разрушили бы стекло. Повторю еще раз: эти дополнительные внутренние напряжения – результат действия очень простого принципа, который гласит, что позиции атомов могут быть фиксированными, но расстояния между соседними атомами таковыми не являются. При нагреве стекло почти всегда расширяется.

У мира цифровых измерительных устройств масса преимуществ, но есть и один несомненный недостаток: мы утратили связь с тем, что измерения означают в действительности. Одна из самых печальных потерь – стеклянный термометр, важнейший измерительный прибор в научных лабораториях и в быту на протяжении двух с половиной столетий. Вы все еще можете купить его в аптеке. Я по-прежнему пользуюсь такими термометрами в своей лаборатории, однако во многих других местах их вытеснили цифровые аналоги. На смену блестящей полоске ртути, которую я помню с детства, пришел подкрашенный спирт, но современная версия стеклянного термометра остается, по сути, такой же, как прибор, изобретенный Фаренгейтом в 1709 году, – узкий стеклянный стержень с еще более узкой трубкой внутри, пролегающей по всей его длине. На нижнем конце она расширяется, превращаясь в пузырек, служащий резервуаром для жидкости. Поместите этот конец термометра во что-либо – ванну, наполненную водой, себе под мышку, в море – и наблюдайте за процессом, сколь элегантным, столь и простым. Температура любого объекта непосредственно связана с величиной тепловой энергии, которой он обладает. В жидкостях и твердых телах тепловая энергия проявляется в виде колебаний атомов и молекул. Если термометр поместить в горячую ванну, то его холодное стекло будет окружено горячей водой. Молекулы воды движутся быстрее и, наталкиваясь на атомы стекла, придают им дополнительную энергию, заставляющую их также убыстряться. Этот процесс называется теплопроводностью. Таким образом, когда вы помещаете термометр в ванну с горячей водой, тепловая энергия передается стеклу. Атомы стекла никуда не уходят, а просто «ерзают» на месте, колеблясь из стороны в сторону. Температура стекла и будет показателем интенсивности этого «ерзания»: стекло нагревается. Затем его атомы начинают интенсивнее взаимодействовать с жидким спиртом, атомы которого, в свою очередь, тоже начинают колебаться быстрее. Это первая часть: пузырек термометра нагревается до тех пор, пока его температура не сравняется с температурой окружающей среды.