Большая книга занимательных фактов в вопросах и ответах - Анатолий Кондрашов

4.54. Какие бывают шкалы температур и чем они отличаются?

Температурные шкалы представляют собой системы сопоставимых числовых значений температуры. Существуют абсолютная термодинамическая температурная шкала (шкала Кельвина) и различные эмпирические температурные шкалы, реализуемые при помощи свойств веществ, зависящих от температуры. Построение шкалы Кельвина основано на втором начале термодинамики, началом ее отсчета является абсолютный нуль температуры, а единица температуры – кельвин (К) – определяется как 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. Эмпирические температурные шкалы различаются начальными точками отсчета и размером применяемой единицы температуры. В шкале Цельсия один градус (°C) равен 1/100 разности температур кипения воды и таяния льда при атмосферном давлении, точка таяния льда принята за 0 °C, кипения воды – за 100 °C. В практически вышедшей из употребления шкале Реомюра один градус (°R) равен 1/80 разности температур кипения воды и таяния льда при атмосферном давлении, точка таяния льда принята за 0 °R. В шкале Фаренгейта один градус (°F) равен 1/180 разности температур кипения воды и таяния льда при атмосферном давлении, а точка таяния льда имеет температуру +32 °F. В США и некоторых других странах, где принято измерять температуру по шкале Фаренгейта, применяют также абсолютную температурную шкалу Ранкина. Соотношение между кельвином и градусом Ранкина: K = 1,8 °Ra, по шкале Ранкина точка таяния льда соответствует 491,67 °Ra, точка кипения воды 671,67 °Ra. В 1968 году Международным комитетом мер и весов принята международная практическая температурная шкала (МПТШ-68), в основу которой положены 11 первичных воспроизводимых температурных точек (в том числе тройная точка воды, точки кипения неона, затвердевания серебра и золота), каждой из которых присвоено определенное значение температуры. Температура, определенная по МПТШ-68, в пределах современной точности измерений совпадает с температурой по термодинамической температурной шкале, принятой в физике за основную.

4.55. Как холодной зимой выглядит снегирь в объективе прибора ночного видения?

Если холодной зимой направить объектив прибора ночного видения на снегиря (как, впрочем, и любую другую птицу, комфортно чувствующую себя в зимние холода), на экране возникнет только птичий глаз. Дело в том, что теплопроводность птичьих перьев и пуха очень низка (в 1,5–2 раза меньше теплопроводности сухого воздуха), а потому пух и перья снегиря надежно защищают его от потери тепла даже в самые лютые морозы. Таким же свойством обладают шерсть и мех многих животных. Говорят, что в свое время кончились неудачей попытки обнаружить с помощью приборов ночного видения караваны моджахедов в Афганистане, ночами переправляющих оружие из Пакистана: их защитили одеяла из верблюжьей шерсти.

4.56. Почему капля воды, упавшая на слабо нагретую сковороду, испаряется почти мгновенно, а на раскаленной сворачивается в шарик и долго бегает по металлу, не меняясь в размерах?

Капля воды на очень горячей сковороде «плавает» на слое пара, который служит своеобразной теплоизолирующей прослойкой. К тому же капля при этом под действием сил поверхностного натяжения сворачивается в шарик, зона ее контакта (а значит, и теплообмен) с раскаленным металлом сильно уменьшается.

4.57. Во сколько раз теплопроводность серебра больше теплопроводности олова, теплопроводность олова больше теплопроводности кирпича, а теплопроводность кирпича больше теплопроводности воздуха?

Теплопроводность серебра равна 407 ватт на метр-кельвин, олова – 65 ватт на метр-кельвин, кирпича – около 0,7 ватта на метр-кельвин, воздуха – 0,034 ватта на метр-кельвин. Таким образом, теплопроводность серебра больше теплопроводности олова в 6,3 раза, теплопроводность олова больше теплопроводности кирпича приблизительно в 90 раз, теплопроводность кирпича больше теплопроводности воздуха приблизительно в 20 раз. Теплопроводность серебра больше теплопроводности воздуха в 12 000 раз.

4.58. Чему равно «семейное тепло»?

«Семейное тепло» вполне может быть выражено цифрами. Семья из двух взрослых и двух детей производит за год 1300 киловатт-часов тепловой энергии.

4.59. Почему на пляже даже в жару можно простудиться, если долго лежать на одном месте?

Теплопроводность материалов, покрывающих пляж (песок или галька), невелика. Стоит в самый жаркий день разрыть нагретую поверхность, как доберешься до лежащих под ней холодных слоев. Именно поэтому, если достаточно долго лежать на одном месте, даже в жару можно простудиться. «Виновата» в этом теплопередача между телом человека и отбирающими тепло холодными слоями песка.

4.60. Сколько энергии в стакане горячего чая?

При остывании стакана горячего чая (250 граммов воды) со 100 до 20 градусов Цельсия (от температуры кипения до комнатной) он теряет не менее 84 килоджоулей энергии (средняя удельная теплоемкость воды в этом диапазоне температур равна не менее 4,2 килоджоуля на килограмм-кельвин). Если полностью превратить эту энергию в электрическую, она сможет в течение часа посылать свет 25-ваттной лампочки. Если эту энергию полностью превратить в механическую работу, ее окажется достаточно, чтобы поднять груз в 8540 килограммов на высоту 1 метр (или в 854 килограмма на высоту 10 метров). Такую же работу совершает молотобоец, делая 400 ударов, или огромный 5-тонный паровой молот, падающий с высоты человеческого роста. Вот еще более поразительное сопоставление. Такая же энергия заключается в 38 пулях, вылетевших из ствола ручного пулемета Калашникова (7,62 мм РПК, масса пули 7,9 грамма, начальная скорость 745 метров в секунду), или в 277 пулях, вылетевших из ствола пистолета Макарова (ПМ, масса пули 6,1 грамма, начальная скорость 315 метров в секунду).

4.61. Почему французские академики в 1775 году отказалась рассматривать проекты вечного двигателя?

Вечным двигателем, или перпетуум-мобиле (лат. perpetuum mobile – вечное движение), принято называть воображаемую машину, которая, будучи раз пущена в ход, совершала бы работу неограниченно долгое время, не заимствуя энергии извне. Вечный двигатель противоречит закону сохранения и превращения энергии (возможность работы такой машины неограниченное время означала бы получение энергии из ничего) и потому неосуществим. Первые проекты вечного двигателя относятся к XIII веку (Виллар д'Оннекур, 1245, Англия; Пьер де Марикур, 1269, Франция). Широкую популярность идея вечного двигателя получила в XVI–XVII веках, в эпоху перехода к машинному производству; до XIX века количество проектов вечного двигателя неуклонно возрастало. Идея создания вечного двигателя занимала не только фантазеров-самоучек, мало знакомых с основами физики, но и некоторых ученых. К концу XVIII века вследствие бесплодности многовековых попыток осуществления вечного двигателя среди ученых укрепилось убеждение в невозможности его создания, и с 1775 года французские академики отказались рассматривать проекты вечного двигателя. Теоретически принципиальная неосуществимость вечного двигателя была доказана лишь в середине XIX века – с установлением закона сохранения энергии. Несмотря на это, тщетные попытки создания вечного двигателя предпринимались малосведущими изобретателями и в последующее время.

4.62. Что такое энтропия?

Энтропия (от греч. entropia – поворот, превращение) – это функция состояния термодинамической системы, изменение которой в равновесном процессе равно отношению количества теплоты, сообщенного системе или отведенного от нее, к термодинамической температуре системы. Равновесным называют процесс перехода термодинамической системы из одного равновесного состояния в другое, столь медленный, что все промежуточные состояния можно рассматривать как равновесные. Всякий равновесный процесс является обратимым, то есть его возможно осуществить в обратном направлении, последовательно повторяя в обратном порядке все промежуточные состояния прямого процесса. В равновесном (идеальном обратимом) процессе энтропия не изменяется. Неравновесные процессы в изолированной системе сопровождаются ростом энтропии. Энтропия всех веществ при абсолютном нуле температуры равна нулю, именно это значение энтропии принимают за начальную точку ее отсчета. Максимального (равного единице) значения энтропия достигает тогда, когда термодинамическая система приходит в состояние равновесия. Понятие энтропии ввел в 1865 году немецкий физик Рудольф Клаузиус (1822–1888), он же показал, что абсолютное значение энтропии остается неопределенным, определены (и имеют физический смысл) лишь ее изменения в термически изолированных необратимых системах, а в идеальном случае обратимых процессов энтропия остается постоянной. Поэтому энтропию можно также считать мерой отклонения реального процесса от идеального. Введению энтропии физики вначале весьма энергично противодействовали, особенно из-за ее таинственного характера, обусловленного главным образом тем, что она не действует на наши органы чувств. Это не помешало энтропии сыграть фундаментальную роль в развитии термодинамики. В наши дни понятием энтропии широко пользуются в физике, химии, биологии и теории информации.