Физика в играх - Бруно Донат

Постепенным охлаждением в разных смесях можно добиться еще большего понижения температуры жидких тел. Смеси, которые мы приводили раньше, также пригодны для этого. Но можно взять и другие: например, 2 части снега, смешанные с 3 частями хлористого кальция, понижают температуру до —30° по Цельсию. А если эту смесь в тонкостенном стакане опустить в смесь из 3 частей снега с 2 частями хлористого кальция, тогда оба раствора дадут температуру —42°.

Если таким же образом охлаждать азотную кислоту и снег, температура уже после первого замерзания упадет до —30° по Цельсию. 8 частей снега и 10 частей разбавленной серной кислоты, предварительно охлажденные в такой же смеси, дают при смешении понижение температуры до —55°.

Дальнейшее понижение температуры жидких тел такими путями невозможно, потому что жидкости замерзают. Но для большего понижения температуры есть другие средства.

Искусственный туман. Слово «искусственный», может быть, здесь не вполне удачно, так как наш туман — настоящий, ничем не отличающийся от того тумана, который появляется над сырыми лугами и озерами. Но никто, вероятно, не видел тумана в бутылке, и получить его там — своего рода фокус, но при знании физики фокус нетрудный.

Если вы, производя опыты с охлаждением жидкостей, внимательно следили за ними, вы, должно быть, заметили, как сильно запотевают наружные стенки стаканов и банок, как они покрываются бесчисленным множеством очень мелких водяных капелек. Такое же явление мы часто наблюдаем на стеклах окон, особенно зимой. Откуда берется эта вода? И почему она осаждается на стекле?

Можно сделать только одно предположение: вода эта находилась в воздухе. При этом, конечно, вода была там не в жидком, а в газообразном состоянии. Вода испаряется с поверхностей морей и рек, с земли, с деревьев и трав, но при небольшом понижении температуры пар этот снова превращается в воду. После жаркого дня миллиарды водяных капель оседают в прохладную ночь на траве, кустах и деревьях, на всех предметах. Эти осевшие водяные капли мы называем росой.

Если в теплую комнату внести графин с холодной водой, графин так же покроется росой, как трава на лугу. Если в воздухе много водяных паров, тогда достаточно самого незначительного понижения температуры для образования водяных пузырьков и росы.

Наблюдатели заметили определенную точку (для каждого данного количества паров воды в 1 кубическом метре воздуха), до которой должна понизиться температура для образования тумана и росы. Она называется точкой росы. Эта точка в каждом месте земли изменяется в различные времена года и в различные часы дня.

Как определить точку росы?

Налейте в тонкий стеклянный стакан чуть теплой воды и поставьте его в тень на открытом воздухе. Затем бросьте в воду кусочек льда. Мешайте ее термометром и следите за понижением температуры; при этом следите внимательно за наружными стенками стакана. Вы увидите, что в некоторый момент он начнет покрываться тонким слоем росы. Не прозевайте и заметьте показания термометра. Это и есть точка образования тумана.

Разница между температурой, при которой образовалась роса, и температурой наружного воздуха бывает то больше, то меньше. Но вы увидите, что, если она очень незначительна, самое небольшое дальнейшее понижение температуры вызывает уже образование дождя.

Если барометр стоит низко, а разница температуры наружного воздуха и температуры, при которой запотевает стакан, невелика, можно с уверенностью предсказать дождь. Воздух может стать холодным не только потому, что солнце заволокло тучами. Есть и другие причины.

При нагревании газ разрежается, а когда сжимается, отдает теплоту. Если разрежение происходит без притока теплоты извне, тогда газ расходует на разрежение свою собственную теплоту и охлаждается так же, как рассмотренные нами растворы солей. Если вы сожмете в бутылке газ, температура его повысится. Теперь остудите его, а затем, открыв зажим, сразу дайте ему возможность выйти. Он будет расширяться и вместе с тем охлаждаться. Если сжать в бутылке обыкновенный водяной пар и также дать ему возможность быстро выйти и расшириться, он при этом охладится и тотчас же обратится в дождь или росу.

Интересно, что капельки росы всегда осаждаются на очень мелких предметах (например, весьма малых пылинках).

В чистом воздухе, абсолютно очищенном от пылинок, роса не образуется. Но в обычном воздухе постоянно имеются разные механические примеси, на которых могут оседать водяные капли. Бесчисленное множество капелек, летающих над землей в виде тумана, заслоняет даже свет солнца и делает воздух непроницаемым для зрения.

Но мы уже достаточно много рассуждали; теперь пора перейти к нашему опыту — образованию тумана в бутылке.

Достаньте большую бутылку с пробкой и изогнутой стеклянной трубкой (рис. 52). На эту стеклянную трубку наденьте резиновую так, чтобы можно было через нее вдувать в бутылку воздух.

Рис. 52

Перед тем как закупорить бутылку, зажгите небольшой кусочек серы, подержите над ним бутылку горлышком вниз и дайте серному дыму войти в нее. Этим вы создадите, так сказать, «почву» в воздухе для осаждения водяных пузырьков.

Чтобы сделать воздух в бутылке влажным, достаточно бросить в нее кусочек смоченной промокательной бумаги или, лучше, пропустить через горлышко и прижать пробкой мокрую бумажную полоску так, чтобы она висела в бутылке. Затем вдуньте изо всех сил ртом воздух в бутылку и зажмите резиновую трубку. Держите ее зажатой до тех пор, пока температура воздуха в бутылке не сравняется с комнатной температурой. Теперь сразу откройте зажим резиновой трубки.

Сжатый в бутылке воздух начнет выходить наружу и при этом разрежаться, и вы увидите, как бутылка наполнится таким густым туманом, что даже на улицах Лондона, славящегося своими туманами, наверное, никогда не видели такого. Даже свою руку вы не увидите сквозь бутылку. Если за ней поставить свечу, то, пока тумана нет, она будет ярко светить сквозь бутылку, но, как только появится туман, вокруг огня образуется лучистый круг, точь-в-точь как круг вокруг луны в туманную погоду.

Если опять подуть в бутылку, получится неожиданно интересное явление. Сжатый воздух так нагреется, что пузырьки тумана снова обратятся в пар. Сначала в бутылке образуется туча. Она будет подниматься и опускаться: туман волнуется. Наконец воздух делается чистым и прозрачным. «Погода» в бутылке «прояснилась».

Такой же эффект получается, если поставить бутылку, наполненную туманом, на солнце в комнате. Вы увидите в миниатюре борьбу солнца с утренними туманами и испарениями, накопившимися за холодную ночь.

Вы видели, что при разрежении воздуха происходит охлаждение. Этим именно и пользуются для достижения наиболее низких температур. Достигнуть большого охлаждения домашними средствами почти невозможно, но вам, вероятно, интересно знать, какую низкую температуру можно получить, постепенно разрежая газы.

Представьте себе 5 или 6 стальных шаров с очень крепкими стенками. У каждого шара должен быть кран, устроенный так, что он впускает воздух внутрь, но не выпускает наружу. В эти шары мощными нагнетательными насосами накачивается воздух до давления в несколько сот атмосфер. Шары со сжатым воздухом охлаждаются смесями вроде тех, которыми мы пользовались. Затем открывается кран одного шара, и вырывающийся из него воздух направляется на другой шар. Вырвавшийся из первого шара воздух очень быстро разрежается, температура его понижается, и это сильно охлаждает воздух во втором шаре.

Как только из первого шара выйдет весь сжатый воздух, открывается кран второго шара, и струя сжатого воздуха из него направляется на третий, из третьего — на четвертый и т. д. Таким образом, в последнем шаре получается такая низкая температура, при которой замерзает алкоголь, а некоторые газы, которые с величайшим трудом обращаются в жидкости, превращаются в твердые тела. Так, например, твердым становится углекислый газ. Правда, для обращения в твердое тело углекислого газа достаточно только двух шаров.

В настоящее время пользуются для получения низких температур гораздо более сложными аппаратами, основанными, однако, приблизительно на таком же принципе.

Самая низкая температура, достигнутая до сих пор (голландским физиком Хаазом в 1935 году), — это —272,985° по Цельсию.

Глава четвертая Опыты со светом

Солнечные часы. Попробуйте проследить за своей тенью на открытом воздухе в различные часы дня и разные времена года. Тень не остается неподвижной, она как будто ползет вокруг нас. Утром она падает по направлению к западу, в полдень — к северу, вечером — к востоку, и, если бы лучи солнца не заслонялись земным шаром, в полночь тень падала бы к югу.