Зимой, наоборот, вода превращается в лед — твердое тело. Жидкости всегда испаряются, частички жидкости становятся невидимым газом. А могут ли они совершить обратный переход? Почему же нет! Утром на траве появляется роса, в воздухе туман — это водяной пар превращается в воду. То же самое происходит в бане. На стенах висят капельки воды. Откуда берется эта вода? Конечно, из воздуха.
В банном воздухе много водяных паров. И они могут превращаться в воду — конденсироваться. Видите, сколько удивительных превращений все время происходит вокруг нас.
Теперь нам надо остановиться и привести в порядок наши первые сведения о тепле и холоде. Ведь три, состояния вещества и переходы из одного состояния в другое тоже являются мерой тепла и холода.
Твердое тело может стать жидкостью. Это называется плавлением. Жидкость превращается в твердое тело — затвердевает. Из жидкости появляется газ — жидкость испаряется. Или если все это происходит быстро и при определенной температуре, то говорят, что жидкость кипит. Обратное явление, когда из невидимого бесцветного газа появляются капельки жидкости, — конденсация.
Почему же это происходит? Когда, например, вода остается водой, а когда становится льдом?
На этот вопрос, без сомнения, ответит любой из наших читателей.
Ниже нуля градусов вода твердая, между нулем и ста градусами Цельсия — жидкая. Сильней ее нагреют — нет ни льда, ни воды: сосуд наполняет бесцветный газ.
Если мы понаблюдаем за другими веществами, то и там увидим то же самое. И сделаем вывод: для каждого вещества есть своя температура кипения и плавления. Правда, немного смешно говорить, скажем, о плавлении воздуха, который мы привыкли видеть газообразным, или о кипении железа. Но это происходит лишь потому, что мы живем при определенных температурах. И, конечно, привыкли видеть вещества, какими они при этих температурах выглядят. Но ведь в мире не везде так.
Звездные температуры порой достигают миллионов градусов, в межпланетном пространстве свирепствует космический холод — двести с лишним градусов ниже нуля.
Так что условия там будут разные. И вещества будут вести себя совсем по-разному. При температурах космических большинство газов станет твердыми телами. Что касается звезд, то там ни одно вещество не удержится в твердом состоянии. И железо станет газом, и самый крепкий камень, и алмаз, и сталь. Даже и не газом, а еще одним, четвертым состоянием вещества — плазмой. Но об этом мы поговорим несколько позже.
Нас с вами интересует не космическая жара, а космический холод. Температуры космического пространства недалеки уже от абсолютного нуля, который мы собираемся обследовать. Только пространство это пустое — там почти нет вещества.
А мы хотим узнать, как поведут себя в столь необычных условиях самые обычные, известные всем вещества.
Но прежде чем познакомиться поближе с чудесами сверххолода, прежде чем на страницах книги приступить к охлаждению веществ, нам придется пристально посмотреть на них, выяснить, как они устроены, из чего состоят. Лишь когда мы это все узнаем, нам станет ясно, как подобраться как можно ближе к абсолютному нулю.
В свое время науке понадобилось для этого много десятков лет.
Некоторые загадки абсолютного нуля и сверхнизких температур не решены и до сих пор.
Итак, несколько слов о строении вещества.
О часах, винтиках и пружинках
Наверное, почти все когда-нибудь пытались починить или хотя бы разобрать часы. Сколько там различных винтиков, шестеренок, пружинок! Тьма-тьмущая! Разберешь часы — и вот на столе множество разных мелких частей. И собрать их воедино не так-то легко. У неопытного человека может получиться даже так: часы собраны, как будто идут. А на столе осталось несколько винтиков. Лишние они, что ли? — недоумеваете вы. Но вскоре часы остановятся, и вы поймете, что каждый винтик в часах на своем месте. Все части разные, каждая делает свое дело, каждая необходима.
А вот если так же, «до винтика», разобрать какое-нибудь вещество, то окажется, что все эти «винтики» совершенно одинаковы.
Только их очень много. Взяли мы как будто самую малость — крупинку. А частичек, из которых она состоит, набралось на удивление много. И все они для данного вещества одинаковы. Называются эти частички молекулами.
Именно поведение молекул и диктует веществу, в каком состоянии оно должно находиться — быть ему газом, жидкостью или твердым телом. Но мы ведь говорили, что это зависит от температуры тела? Конечно. Только сейчас надо внести маленькую поправку — температура тела связана только с поведением его молекул тем, как они двигаются.
Весь наш мир, все, что мы видим, чувствуем, состоит из различных молекул. И камень, и вода, и стены дома, и сахар, и воздух, и далекие звезды, и мельчайшие вирусы, и сами мы — все это скопище неисчислимого множества молекул.
Без любой, самой завалящей пружинки часы правильно ходить не будут. А вещество, если даже потерять миллион молекул, все равно останется таким же.
Молекулу глазом не увидишь, в руку не возьмешь, на язык не положишь. И расположены они в телах на изрядных расстояниях друг от друга. Вот, например, карандаш. На вид он твердый, гладкий, как будто никаких отверстий там нет. Но он состоит из множества молекул. И между ними — пустое пространство. В любом теле гораздо больше пустоты, чем молекул.
Почему же мы эту пустоту не замечаем? Да потому, что и молекулы, и расстояния между ними настолько малы, что для нас все это сливается в единое целое. Так ведь и Луна издали кажется плоским блином с нарисованными на нем темными и светлыми пятнами. А между тем это круглая планета, где есть горы, впадины, холмы…
И мы, разглядывая карандаш, не видим в нем ни молекул, ни пустых мест.
У молекул есть свои законы — законы, по которым живут эти мельчайшие частички.
Первый закон: молекулы находятся в беспрерывном движении. Остановиться молекула не может. Даже самый шаловливый мальчик, самый непоседливый все-таки лежит спокойно, когда спит. Молекулы же не спят и не отдыхают. Они вечно двигаются.
Второй закон мира молекул еще интересней: они притягиваются друг к другу, а когда подойдут очень близко — отталкиваются.
Поэтому и получается, что молекулы стремятся к другим молекулам, а подлетев, тотчас же разлетаются в разные стороны.
Третий закон: молекулы данного тела одинаковы. Одинаковы все их свойства. И получается, что, собравшись вместе, молекулы соли образуют соленую соль, сахара — сладкий сахар, железа — твердое железо.
Карик и Валя из известной детской повести совершили увлекательное путешествие. Они превратились в крошечных карликов и наблюдали за жизнью насекомых и растений вблизи. Они боялись муравьев, мух, стрекоз, так как сами были размерами гораздо меньше этих насекомых. Зато сколько интересного и необычайного открылось им, сколько чудес они увидели своими глазами!
Но если бы Карик и Валя уменьшились до размеров молекул, то чудесного в их путешествии было бы гораздо больше.
Ведь в том, что они видели в растительном и животном мире, ничего неожиданного нет. Стрекоза остается стрекозой, хоть и становится страшной для человека размером с муравья. И цветок тоже остается цветком, хотя путешествовать по нему приходится несколько часов.
Но любое знакомое нам тело: кирпич, кусок железа, рубаха, вода — все, что мы видим вокруг себя, молниеносно преобразится, станет таинственным и непонятным, как только мы сможем наблюдать за поведением молекул.
Многие фантасты любят посылать своих героев в далекие миры, заполненные дикими существами, странными растениями. А зачем ездить так далеко? Путешествие внутрь любого из привычных нам веществ не менее захватывающее. А то, что мы там увидим, не сравнится ни с какими фантастическими мирами.
Молекулы, конечно, одни и те же. Но почему же тогда так различны лед и жидкая вода, составленные из тех же самых молекул? Может быть, молекулы ведут себя там по-разному?