Читать книгу "Сбитые с толку - Эндрю Штульман"

Еще ученые из Академии дель Чименто сравнили замерзание воды в ледяной ванне («искусственное замораживание») с тем, как вода замерзает на улице в холодный день («естественное замораживание»). Они искали разницу в скорости, полноте замерзания и прозрачности получившегося льда. Их эксперименты были основаны на представлении, что разные виды холода оказывают разное действие. Результаты, однако, не позволили экспериментаторам сделать окончательных выводов. Они не позаботились проверить, совпадает ли температура воздуха на улице с температурой ледяной ванны, и были больше сосредоточены на том, чтобы охарактеризовать природу другого «источника холода» и его воздействие.

В 1761 году, спустя более чем столетие после основания Академии дель Чименто, шотландский химик Джозеф Блэк открыл, что воздействие тепла на вещество не всегда меняет температуру. В частности, нагревание смеси льда и воды не поднимает температуру, а только повышает соотношение воды ко льду. Температура воды начнет расти лишь после того, как весь лед растает. Блэк пришел к выводу, что то же верно для смеси холодной воды и пара: нагревание не будет повышать температуру, пока вся вода не испарится.

Отличие тепла от температуры не вписывалось в господствовавшую в то время теорию источника и получателя. До Блэка все исходили из того, что термометр измеряет тепло, а не температуру, поэтому разделение тепла и температуры при фазовом переходе было необъяснимым.

Это открытие заставило Блэка разработать новую теорию тепловых явлений, но это была не кинетическая теория, принятая в современной термодинамике. Теория Блэка различала тепло и температуру, но все еще продолжала считать тепло веществом — теплородом[66]. В точках таяния и кипения теплород накапливается внутри веществ, меняя их химический состав, но не температуру. Потребовалось еще целое столетие, чтобы ученые отказались от этой теории в пользу кинетического (основанного на энергии) взгляда на тепло. Но не-ученые держатся за нее. Подобные представления лежат в основе большинства рассуждений о теплоте, хотя старое название давно забыто и теплород называют просто теплом.

* * *

Тепло — это форма энергии, совокупная энергия молекул физической системы, но мы интуитивно рассматриваем ее как разновидность вещества согласно с описанными выше устаревшими теориями. Интуитивные теории тепла совпадают с историческими воззрениями во многих аспектах, начиная с формулировок. Тепло описывают как нечто движущееся само по себе («тепло из ванны уходит, рассеивается, улетучивается). Его можно поймать и сдержать («теплица удерживает солнечное тепло», «закройте дверь, чтобы не напустить жары»). Для некоторых это просто метафора. Проще сказать «все тепло ушло из ванны», чем «вода в ванне достигла теплового равновесия с окружающей средой». Большинство же людей понимают это не менее буквально, чем фразу «из ванны вытекла вся вода» или «закрой дверь, чтобы не проникал запах».

Откуда известно о том, что эти формулировки буквальны? Например, использующие их люди делают совершенно иные прогнозы о тепловых феноменах, чем не использующие. Мы еще обсудим это. Другая причина заключается в том, что если нужно объяснить «вещественные» формулировки, то многие излагают теорию, полностью основанную на веществе, как в представленной ниже беседе между ученым, исследующим преподавание физики, и студентом колледжа, изучающим физику:

Ученый: Вы только что использовали глагол «перетекать» для описания процесса передачи тепла[67]. Как представляете себе передачу тепла в этом вопросе?

Студент: Как движение воды. Вода течет из более высокого места в более низкое, а тепло — из более теплой области в более холодную. По-моему, принцип схожий.

Другое сходство между интуитивными и историческими теориями тепла заключается в том, что в обоих случаях проводится различие между теплом и холодом и, следовательно, между источниками холода и источниками тепла. Холод — это не более чем восприятие определенного состояния. Вещества, отводящие тепло от тела, ощущаются холодными, а передающие телу тепло — горячими. И тем не менее по-разному воспринимаемые состояния кажутся материальными, как разные вещества. Подумайте об объяснениях, которые приводили студенты на вводном курсе физики, когда их спрашивали, почему стакан чуть теплой воды теряет температуру при контакте с кубиком льда или металлическим столом:

— Часть холода из кубика переходит в воду[68].

— Когда стакан касается металлического стола, молекулы стола добавляют чашке холода.

— Стакан становится холоднее, потому что стол передает чашке холодные молекулы, а чашка передает горячие молекулы столу. Когда это происходит, стол становится горячее, а чашка — холоднее.

В последнем объяснении высказано не только предположение, что холод отличается от тепла, но и что он состоит из другого вещества: «молекул холода». Может появиться искушение интерпретировать это объяснение с точки зрения энергетических состояний: «горячие молекулы» высокоэнергетические, а «холодные» — низкоэнергетические. Однако студент явно полагал, что от вещества к веществу передаются именно сами молекулы, а не их энергия. Взгляд на жар и холод как на дуэль двух веществ хорошо выразил другой участник того же исследования, определивший температуру как «меру смеси тепла и холода внутри предмета»[69].

Третье сходство между интуитивными и историческими теориями, в частности теорией источника и получателя, заключается в том, что они не разделяют тепло и температуру. В результате тщательных наблюдений за фазовыми переходами Блэк открыл, что тепло отличается от температуры. В быту то же отличие можно наблюдать, когда предметы, обладающие одинаковой температурой, передают разное количество тепла. В ванной, например, хлопчатобумажные полотенца на полу кажутся теплее, чем керамическая плитка под ними, металлические пряжки ремней безопасности в горячей машине — теплее, чем виниловая обивка сиденья, а алюминиевые сковородки в духовке — теплее, чем окружающий их воздух. Причина разных ощущений в том, что одни материалы передают тепло лучше, чем другие, и более эффективно передающие вещества (проводники тепла) кажутся горячее или холоднее, чем те, которые проводят тепло хуже (теплоизоляторы).

Таким образом, чтобы понять, почему два материала с одинаковой температурой при прикосновении ощущаются по-разному, нужно отличать тепло и передачу тепла от температуры. Большинство людей этого не делают и исходят из того, что предмет чувствуется горячим, потому что он и есть горячий, потому что одни предметы теплее от природы (например, полотенцу присуща большая теплота, чем плитке) или потому что некоторые вещества лучше улавливают тепло (например, хлопок от природы лучше улавливает тепло, чем керамика)[70]. Мы склонны считать пальцы тепловыми сенсорами, но пальцы не измеряют ни тепло, ни температуру. Они измеряют гораздо более субъективный параметр: получает или теряет кожа тепло, и насколько быстро. С эволюционной точки зрения это самое главное, потому что от этого зависит, есть ли опасность умереть от ожогов или обморожения. Важнейший фактор тепловых травм — не тепло, а его передача. Если бы тепло само по себе имело столь же серьезное значение, невозможно было бы вынуть сковородку из духовки, потому что воздух обжигал бы кожу еще до того, как рука коснется сковородки. Наша кожа в безопасности потому, что воздух передает тепло гораздо медленнее металла. Мы можем переносить контакт с воздухом, нагретым до 200°C, хотя не можем вынести контакта со сковородой той же температуры.