Фейнман - 01. Современная наука о природе. Законы механики (1055659), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Можете это проверить, играя в пинг-понг: после удара ракеткой шарик отлетает от ракетки быстрей, чем подлетал к ней. (Частный пример: неподвижный атом после удара поршня приобретает скорость.) Стало быть, атомы, отлетев от поршня, становятся «горячее», чем были до толчка. Поэтому все атомы в сосуде наберут скорость. Вто означает, что при медленном сжатии газа его температура распгет. Когда медленно сжимаешь газ, его температура поеишается, а когда медленно расширяешь, температура падает. Вернемся к нашей капельке воды и посмотрим, что сией будет, когда температура понизится. Положим, что толчея среди молекул воды постепенно утихает.
Меж ними, как мы знаем, существуют силы притяжения; иритянувшимся друг к другу молекулам уже нелегко покачиваться и прыгать. Йа фиг. 1.4 показано, чтб бывает при низких температурах; мы видим ун;е нечто новое. Образовался лед. Конечно, картинка эта опять условна — у льда не два измерения, как здесь изображено, но в общих чертах она справедлива. Интересно, что в этом веществе р каждого атома есть свое место, и если каким-то образом мы расставим атомы ыа одном конце капли каждый на свое место, то за многие километры от него на другом конце (в нашем увеличенном масштабе) из-за жесткой структуры атомных связей тоже возникнет определенная правильная расстановка.
Поэтому если потянуть за один конец ледяного кристалла, то за ним, противясь разрыву, потянется н другой — з отличие от воды. в которой эта правильная расстановка разрушена интенсивными движениями атомов. Разница между твердыми и я«идкими телами состоит в том, что в твердых телах атомы расставлены в особом порядке, называемом кристаллической структурой, и даже в том случае, когда они находятся далеко друг от друга, ничего случайного в их размещении не наблюдается— положение атома на одном конце кристалла определяется лоложением атомов на другом конце, пусть ме»кду ними находятся хоть миллионы атомов.
В жидностях же атомы на дальних расстояниях сдвинуты нак попало. На фиг. 1.4 расстановка молекул льда мною выдумана, и хотя кое-какие свойства льда здесь отражены, но в общем она неправильна. Верно схвачена, например, часть шестигранной симметрии кристаллов льда. Посмотрите: если повернуть картинку на 120', получится то же Ф и г, 1.А М«я«кули льда. самое распололгение. Таким образом, лед имеет сияьизгприю, вследствие которой снежинки все шестигранны. Из фиг. 1.4 мол«но еще понять, отчего, растаяв, лед занимает меньший объем. Смотрите, как много «пустот» па рисунке; у настоящего льда их тоже много.
Когда система разрушается, все зги пустоты заполняются молекулами. Большинство простых веществ, за исключением льда и гарта (типографского сялава), при плавлении рисш~гряется, потому что в твердых кристаллах атомы упакованы плотнее, а после плавления им понадобится место, чтобы колебаться; сквозные же структуры, наподобие льда, разрупгаясь, становятся компактнее. Но хотя лед обладает «жесткой» кристаллической сгруктуроп, его температура может тоже меняться, в нем есть запас тепла. Этот запас можно менять по своему л;еланию. '1то;ке это за тепло? Атомы льда все равно не находятся в покое.
Они дро;кат и колеблются. Даже когда существует определенный порядок в кристалле (структура), все атомы все жо колеблготся «на одшгм месте«. С повышением температуры размах их колебаний все растег, пока опн не стронутся с места. Это называется гг.,гавл«линг«. Наооорот, с падением температуры колебания все замирают, пока при зоголютком нуле температуры окн не станут наименыпими из возможных (хотя полной остановки не наступит). У)того минимального колкчества движения не хватает, чтобы растопить тело. Но есть одно исключение — гелий. Гелий при охлаждении тоже уменьшает движенке своих атомов до предела, но даже при абсо:потном нуле в них оказывается достаточный запас движения, чтобы предохранить гелий от замерзания. 1'елий не замерзает и прн абсолюпюм нуле, если только не сжимать его под высоким давлением.
Повышая давление, можно добиться затвердения гелия. ~ З. Агг«ольг«ые т«1«ог(ессь« Так с атомной точки зрения описываготся твердые, жидкие и газообразные тела. Но атомная гипотеза описывает и прог)ессы, и мы теперь рассмотриьг некоторые процессы с атомных позиции. Первым делом речь пойдет о процессах, происходящих на поверхности воды. Что здесь происходит? й!ы усложним себе задачу, приблизим ее к реальной действительности, предположив, что над поверхностью находится воздух.
Взгляните на фиг. 1.б. ь!ы по-прежнему видим молекулы, образующие толщу воды, но, кроме того, здесь изображена и ее поверхность, а над ною— различные молекулы: прежде всего молекулы воды в виде водяного пара, который всегда возникает над водной поверхностью (пар и вода находятся в равновесии, о чем мы вскоре будем говорить). Кроме того, над водой витают н другие моле- Ф ы в. у.д. Молекулы воды, пеппря юенейея в воздух. о 6 додород Азою Ьйсеород куды — то скрепленные воедино дза атома кислорода, образующие молекулу кислорода, то два атома азота, тоже слипшиеся в молекулу азота.
Воздух почти весь состоит из азота, кислорода, водяного пара и меньших количеств углекислого газа, аргона и прочих примесей. Итак, над поверхностью воды находится воадух — газ, содержащий некоторое количество водяного пара. Что происходит на этом рисунке? Молекулы воды все время движутся. Время от времени какая-ннбудь из молекул близ поверхности получает толчок сильнее остальных и выскакивает вверх.
На рисунке этого, конечно, не видно, потому что здесь все неподвижно. Но попробуйте просто представить себе, как одна из молекул только что испытала удар и взлетает вверх, а с другой случилось то же самое и т, д, Так, молекула за молекулой вода исчезает — она испаряется. Если закрыть сосуд, мы обнаружим среди молекул находящегося в нем воздуха множество молекул воды.
То и дело некоторые из них снова попадают в воду и остаются там. То, что казалось нам мертвым и неинтересным (скажем, прикрытый чем-нибудь стакан воды, который, может быть, 20 лет простоял на своем месте), на самом деле таит в себе сложный и интересный, беспрерывно идущий динамический процесс. Для нашего грубого глаза в нем ничего не происходит, но стань мы в миллиард раз зорче, мы бы увидали, как все меняется: одни молекулы взлетают, другие оседают. Почему же мы не видим этих изменений? Да потому, что сколько взлетает молекул, столько же и оседает! В общем-то там «ничего не происходит». Если раскрыть стакан и сдуть влажный воздух, на смену ему притечет уже сухой; число молекул, покидающих воду, останется прежним (оно ведь аавпсит только от движения в воде), а число возвращающихся молекул сильно уменьшится, потому что их уже над водой почти ке будет.
Число улетающих молекул превысит число оседающих, вода начнет испаряться. Поэтому, если вам нужно испарять воду, включайте вентилятор! Но зто еще не все. Давайто подумаем, какие молекулы вылетают из воды7 Если уж молекула выскочила, то это значит, что она случайно вобрала в себя излишек энергии; он ей понадобился, чтобы разорвать путы притяжения соседей. Энергия вылетающих молекул превосходит среднюю энергию молекул в водо, поэтому энергия остающихся молекул ниже той, которая была до испарения.
Движение их уменьшается. Вода от испарения постепенно остывает. Конечно, когда молекула пара опять оказывается у поверхности воды, она испытывает сильное притяжение и может снова попасть в воду. Притяжение разгоняет ее, и в итоге воаянкает тепло. Итак, уходя, молекулы уносят тепло; возвращаясь — приносят. Когда стакан закрыт, баланс сходится, температура воды не меняется. Если же дуть иа воду, чтобы испарение превысило оседание молекул, то вода охлаждается.
Поэтому, чтобы остудить суп, дуйте на него! Вы понимаете, конечно, что яа самом деле все происходит гораздо сложнее, чем здесь описано. Не только вода переходит в воздух, но молекулы кислорода иля азота время от времени переходят в воду и «теряются» в массе молекул воды. Попадание атомов кислорода и азота в воду означает растворение воадуха в воде; если внезапно из сосуда воздух выкачать, то молекулы воздуха начнут из воды выделяться быстрее, чем проникают в нее; мы увидим, как наверх подымаются пузырьки.
Вы, наверно, слыхали, что это явление очень вредно для ныряльщиков. Перейдем теперь к другому процессу. На фиг. 4.6 мы видим, как (с атомной точки зрения) соль растворяется в воде. Что получается, если в воду бросить кристаллик соли? Соль — твердое тело, кристалл, в котором «атомы соли» расставлены правильными рядами. На фиг.
1.7 показано трохмерное строение обычной соли (хлористого натрия). Строго говоря, кристалл состоит не из атомов, а из ионов. Ионы — это атомы с излишком или с не- О Латрид О- Ф и в. 1.6. ЛХояеяуяв соли, растворяющейся в воде. Ф и е.
1.У. Сслрукгкура кристалла соли. р«азпалнив «о сиииааиви иве»а й а/г хваткой электронов, В кристалле соли мы находим ионы хлора (атомы хлора с лишним электроном) и ионы натрия (атомы натрия, лишенные одного электрона). Ионы в твердой соли скреплены друг с другом электрическим притяжением, но в воде некоторые из ких, притянувшись к положительному водороду или отрицательному кислороду, начинают свободно двигаться. На фиг.
1.6 виден освободившийся ион хлора и другие атомы, плавающие в воде в виде ионов. На рисунке нарочно подчеркнуты некоторые детали процесса. Заметьте, например, что водородные концы молекул воды обычно обступают пон хлора, а возле иона натрия чаще оказывается кислород (ион натрия положителен, а атом кислорода в молекуле воды отрицателен, поэтому они притягиваются).
Можно ли нз рисунка понять, растворяется ли здесь соль в воде или же выкристаллизовывается из воды? Ясно, что нельзя; часть атомов уходит из кристалла, часть присоединяется к нему. Процесс этот динамический, подобный испаронито; все зависит от того, много илн мало соли в воде, в какую сторону нарушено равновесие. Под равновесным понимается такое состояние, когда количество уходящих атомов равно количеству приходящих. Если в воде почти нет соли, то больше атомов уходит в воду, чем возвращается из воды: соль растворяется. Если же «атомов соли» слишком много, то приход превышает уход, н соль выпадает в кристаллы. Мы мимоходом упомянули, что понятие молекулы вещества не совсем точно и имеет смысл только для некоторых видов веществ. Оно применимо к воде, в ней действительно три атома всегда скреплены между собой, но оио не очень подходит к твердому хлористому натрию.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
