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

Когда атомы твердого тела в результате нагрева колеблются быстрее, они расталкивают – совсем немного – соседние атомы. Стекло при нагревании расширяется, потому что его атомам, колеблющимся энергичнее, чем прежде, требуется больше пространства. Но молекулы спирта при нагревании разбегаются в разные стороны на гораздо большие расстояния: при повышении температуры на одну и ту же величину спирт расширяется примерно в тридцать раз больше, чем стекло. Теперь спирт в пузырьке термометра занимает большее пространство, и единственное место, куда он может устремляться при расширении, – это трубка термометра. По мере роста интенсивности движения молекул спирта жидкость поднимается вверх по трубке термометра. Высота ее поднятия напрямую зависит от тепловой энергии молекул спирта, что позволяет проградуировать термометр в соответствии с величиной тепловой энергии, которой обладает жидкость. Элегантно и просто! Когда жидкость в пузырьке термометра охлаждается, спирт занимает меньший объем, поскольку движение его молекул замедляется. Когда жидкость в пузырьке термометра нагревается, спирт занимает больший объем, так как его молекулы движутся энергичнее. Таким образом, показания стеклянного термометра позволяют нам оценивать энергию соударений атомов жидкости, содержащейся в пузырьке термометра.

При нагревании различные материалы расширяются по-разному. Вот почему нам легче открыть крышку, слишком плотно сидящую на банке с вареньем, поместив ее под струю горячей водой из крана. Под воздействием горячей воды происходит расширение и стеклянной банки, и металлической крышки, но металл расширяется в значительно большей степени, чем стекло. Когда крышка расширится, снять ее с банки гораздо легче. Разность расширения стеклянной банки и металлической крышки оценить на глаз практически невозможно, но разность усилий, требуемых до и после использования горячей воды, вы оцените без проблем.

Как правило, твердые тела при нагревании расширяются меньше, чем жидкости. Расширение составляет лишь ничтожную долю от общего объема, но этого достаточно, чтобы почувствовать разницу. Когда в следующий раз будете пешком переходить дорожный мост, обратите внимание на металлическую полосу, проложенную поперек дороги на обоих концах моста. Она изготовлена из двух сцепленных друг с другом гребнеобразных пластин. Это компенсатор теплового расширения, которым снабжены почти все современные мосты. Его идея заключается в том, что при повышениях и снижениях температуры эти гребнеобразные пластины позволяют материалам, из которых построен мост, расширяться и сжиматься так, чтобы это не приводило к образованию трещин и дальнейшему разрушению моста. Если секции моста расширяются, «пальцы» гребнеобразной пластины сдвигаются (входят в большее взаимное зацепление); если же секции моста сжимаются, «пальцы» гребнеобразной пластины раздвигаются, но это практически незаметно для транспорта и пешеходов.

Принцип действия термометра основан на явлении температурного расширения. В данном случае оно играет положительную роль, но порой может иметь весьма серьезные последствия. Одна из проблем, обусловленных значительными выбросами парниковых газов, – неуклонное повышение уровня Мирового океана. В настоящее время его средние глобальные темпы составляют примерно 3 миллиметра за год, причем с течением времени они ускоряются. По мере таяния ледников вода, которая была сосредоточена на Земле, пополняет воды Мирового океана. Однако таяние ледников – источник примерно половины нынешнего прироста уровня Мирового океана. Другая половина вызвана температурным расширением. В ходе нагрева океаны занимают большее пространство. По текущим оценкам, 90 % всей дополнительной тепловой энергии, которую Земля получает в результате глобального потепления, скапливается в океанах, вследствие чего наблюдается дополнительный подъем уровня Мирового океана.

В августе на Восточно-Антарктическом плато царят тишина и безмолвие. Пока Северное полушарие Земли нежится в лучах летнего солнца, Антарктика погружена во мрак. На гряде высоких гор, которая тянется через все плато, близится конец полярной ночи, длившейся четыре месяца. Здесь выпадает очень мало снега, но толщина ледяного покрова достигает 600 метров. Погода спокойная. Тепловая энергия постоянно вымывается в звездную ночь, но здесь нет солнечного света, который восполнил бы ее убыль. Этот дефицит означает, что вдоль всего высокогорного хребта зимняя температура обычно составляет –80 ℃. Но 10 августа 2010 года температура в этом районе опустилась до рекордных –93,2 ℃ – самой низкой из когда-либо регистрируемых на Земле.