«Странно! – скажете вы, если видели, как работает самовар. – Сколько раз приходилось видеть, что в самоварной трубе лежит угольков чуть на донышке, а самовар отлично нагревается весь, и вода закипает не только внизу, а вся»[9 - То же самое происходит и с чайниками – нагревающий элемент у них находится снизу, а кипит вся вода.]
.
Но в этом странного ничего нет: так и быть должно. Если самовар или какой-нибудь сосуд нагревается снизу, то находящаяся в нём вода скоро закипит вся; а если мы станем нагревать сосуд сверху, то произойдёт что-нибудь вроде того, что сейчас было рассказано; во всяком случае, нагреется только верхний слой. Почему же? Дело очень просто.
В воде теплота медленно передаётся от частицы к частице, и наш самовар не нагрелся бы никогда, если бы частички воды оставались неподвижными. А они приходят в движение, и вот почему. Тёплые, нагревшиеся внизу слои воды расширяются, делаются легче и потому всплывают наверх. Их вытесняют сверху холодные частички, которые нагреваются, делаются лёгкими и опять идут вверх. И чем больше мы нагреваем самовар, тем всё быстрее и быстрее движутся частички. Скоро вода начинает кипеть. Она нагрелась потому, что частички воды забирали тепло внизу, где больше всего горячих углей, и переносили его вверх.
Теперь посмотрим, что произойдёт, если мы станем нагревать воду сверху. Верхние слои воды нагреются, сделаются легче, чем были, и останутся на своих местах. Тяжёлая холодная вода не может прийти на их место; она останется внизу. Никакого движения в самоваре не произойдёт: всё останется спокойным. Между тем верхний слой будет нагреваться всё больше и больше, и может случиться, что он закипит в то время, как большая часть воды под ним останется холодной. Вот почему в самовар не следует накладывать много углей, пока не разгорелись угли в нижней части трубы.
Но вот вода в нашем самоваре закипела, и пар клубами валит из-под крышки. Не правда ли, хорошо понаблюдать над этим интересным, хотя и таким обыкновенным явлением? Но что делается в самоваре, не видно. Поэтому сделаем особый опыт в стеклянной посуде…
Как кипит вода
Возьмём хорошую стеклянную колбу, наполним её водой и вскипятим на пламени спиртовой лампы. Вот вода начала нагреваться, и снизу побежали пузырьки: один, другой, третий… Что это такое? Пузырьки какого-то газа. В воде растворён воздух: это ясно хотя бы из того, что в воде живут рыбы; без воздуха вся рыба, живущая в воде, погибла бы, ей воздух нужен для дыхания. Но в холодной воде воздуха растворяется больше, чем в горячей; и вот, как только вы начинаете нагревание, лишний воздух выходит пузырьками и поднимается. Чем больше вы нагреваете, тем больше пузырьков поднимается. Наконец вода начинает кипеть, и к пузырькам газа присоединяются пузыри пара. Эти пузыри поднимаются и лопаются; колба всё более и более наполняется парами, но они невидимы и только по выходе из горлышка образуют белые клубы видимого пара; от соприкосновения с воздухом невидимый водяной пар охлаждается и превращается в видимые мельчайшие водяные капли[10 - Следовательно, то, что мы в повседневной жизни неправильно называем паром, есть, собственно, не пар, а жидкая вода в мелко распылённом состоянии.].
Теперь вооружимся хорошим термометром и опустим его в воду. Удивительное явление! Сколько мы ни нагреваем колбу, температура остаётся та же – 100 °C. А вода всё кипит и кипит, всё меньше и меньше становится её в колбе… Если мы поднимем термометр так, чтобы он не касался воды, а стоял в горлышке, в водяном паре, то и здесь он не изменит своих показаний: ртуть будет стоять всё на 100 °C… Неужели же наша лампа более не греет? Куда девается её тепло? Тепло затрачивается на превращение воды в пар. Оно, как говорят, переходит в скрытое состояние. Водяной пар набирает тепло и, поглощая, сохраняет. Когда же, наоборот, мы пар охладим и он превратится в воду, скрытая теплота опять станет явной. Поэтому паром можно пользоваться для нагревания. На этом и основано бывшее ранее в широком ходу паровое отопление. В подвальном этаже устраивают печь и в неё вмазывают большой котёл. От этого котла проводят трубы по всему дому. Котёл наполняют водой. Вода обращается в пар. Пар расходится по трубам, сгущается здесь в воду, отдаёт им своё скрытое тепло; трубы нагреваются и нагревают окружающий их воздух.
Но ведь испарение воды часто происходит и без нагревания. Мы знаем, что небольшое количество воды, оставленное на блюдечке, исчезает, испаряется. Каким же образом здесь превращается вода в пар? Без затраты теплоты? Конечно нет. Откуда же она берёт теплоту? Из себя и окружающего воздуха. Вот почему всякое испарение понижает температуру. Летом в местностях, богатых водой (где, следовательно, происходит сильное испарение), всегда бывает прохладнее, чем в местностях сухих.
Не только при испарении воды охлаждается окружающий воздух. То же самое происходит при испарении всякой жидкости; и если взять жидкость, испаряющуюся быстрее воды, то можно получить даже очень низкую температуру. Так, испарением эфира можно воспользоваться для замораживания воды. Для этого обёртывают нижнюю часть пробирки слоем ваты, наливают в пробирку немного холодной воды и, обильно смачивая вату эфиром, направляют на неё струю воздуха (можно просто махать плоским предметом). Вода в пробирке сильно охладится и наконец замёрзнет.
Чай изо льда
Не всегда можно достать для чая воду. Я не говорю уже о полярных странах, где в долгую холодную зиму вся вода превращается в лёд и даже нередко реки промерзают до самого дна. Но иногда и в жаркой местности приходится самовар наполнять не водой, а льдом.
Однажды, проводя лето в Крыму близ Алупки, задумал я в компании добрых друзей подняться на Ай-Петри. Это красивая вершина яйлы, причудливыми зубцами поднимающаяся над её гребнем. Мы взяли проводника-татарина, запаслись на всякий случай верховыми лошадьми, которые, кстати, везли наш багаж, а сами пошли пешком. Я не стану рассказывать о том, как дивно прекрасна была дорога, как скоро вступили мы в лес и встретили в нём наших северных знакомых – сосны, как временами на крутых обрывах перед нашим взором развёртывались дивные пейзажи. Наконец после пятичасового утомительного пути с несколькими передышками мы были на вершине. Перед нами – свет и простор. Внизу плывут и останавливаются облака, а под ними чистейшей синевой сверкает море. Кругом ровная степь, сухая трава, камни, кое-где жалкий кустарник. Полюбовались мы дивной картиной и вспомнили о чае. Надо достать воды. Проводник объявил нам, что до ключа далеко и надо спускаться, а снега – сколько хочешь. Мы заинтересовались. Проводник повёл нас к яме, которая воронкой суживалась книзу, – это, должно быть, провал над какой-нибудь бездонной пещерой. Кругом ямы, кустарник. Мы раздвигаем его и спускаемся в яму. Она полна снегом, белым, чистым; на нём нет и следов пыли или копоти, как на нашем городском снегу. Мы наполнили им чайник, взяли ещё про запас в большую салфетку и развели костёр. В чайнике снег таял и превратился в чистую воду. Но её было немного. Мы стали прибавлять в неё снег, принесённый в салфетке, и мало-помалу чайник наполнился доверху.
Интересно наблюдать с термометром над таянием льда. Возьмём чашку с водой, положим в неё кусок льда и поставим в неё термометр. Если вода была комнатной температуры, то температура начинает падать. Но вот она дошла до нуля и остановилась. Пока в чашке имеется лёд, температура не изменяется. Но ведь в комнате тепло! Отчего не нагреется вода от окружающего воздуха? Она и получает от него тепло, но только отдаёт его тающему льду. Тепло затрачивается на превращение льда в воду, переход в «скрытое» состояние. Это тепло снова вернётся, перейдёт в явное состояние, как только вода опять замёрзнет. Как ни странно, но при замерзании воды остальная, незамёрзшая вода и, частью, окружающий воздух приобретают от неё некоторый запас тепла.
Испарение и замерзание воды происходят в природе постоянно. Невидимым паром вода поднимается в верхние слои атмосферы, там превращается в облака и, сгустившись, снова падает на землю. С места своего падения она бежит опять к морю, отчасти по земле, отчасти под землёй. Реки, озёра, болота, родники – всё это вода, возвращающаяся к океану, из которого она пришла. Каждая капелька соседнего ручья могла бы много рассказать вам о своих странствованиях: как она была облаком, снегом, туманом, инеем; как она прыгала в волнах далёкого моря и тихо пробиралась подземным ручьём между каменными пластами; как, наконец, она вышла на дневной свет и попала в наш ручеёк.
Несгораемая карта
Не только лёд можно превратить в воду, но и всякое другое твёрдое тело можно сделать жидким. Немногие тела, однако, не удалось ещё расплавить, так как для этого понадобился бы слишком большой жар; наоборот, другие тела плавятся даже на свече. Последние называются легкоплавкими. Примером может служить свинец, из которого, между прочим, ранее изготавливали блестящие листы (фольгу) для завёртывания чая, и олово, в которое раньше заворачивали шоколад[11 - Сейчас свинец можно найти в старых аккумуляторах и проводах, а олово часто используют для припоя микросхем.]
.
Рис. 12. Плавление олова на игральной карте
Можно олово или свинец расплавить на игральной карте с загнутыми краями (рис. 12) или в крепкой коробке, выдавленной из целого куска картона. Карта или коробка не успевает сгореть, потому что вся теплота, которую она получает, отнимается оловом; надо только нагревать карту как раз под самым металлом; если же огонь попадёт в такое место, над которым олова нет, то, разумеется, папка загорится.
Точно так же возможно вскипятить воду в бумажной коробке (это показано на рис. 13), но гораздо удобнее взять для опыта опять-таки картонную коробку. Картон не сгорит потому, что вода поглотит всю теплоту, доставляемую лампочкой. Коробку, в которой производится опыт, лучше всего подвесить при помощи шнурков на деревянном бруске, который можно положить концами на двух бутылках.
Рис. 13. Кипячение воды в бумажной коробке
Разумеется, оба опыта доставят вам надёжную репутацию фокусника, если вы удачно произведёте их перед товарищами, не знающими, в чём дело.
Погода в комнате
Погода в домах меняется так же, как и на дворе. На улице бывает и ветер, и затишье, и туман, и роса. В поле ветер ломает толстые деревья, опрокидывает здания, выгоняет из рек воду, устраивает наводнения, затапливает деревни и сёла. Дождь льёт целыми потоками, буря носится со свистом… Ничего этого в комнате, конечно, не бывает: ветерок здесь слабенький, туман почти незаметный. Но всё-таки погода в комнате бывает разная.
Рис. 14. Воздушный шар, странствующий по комнате
День едва брезжит сквозь замёрзшие окна. Нехотя вы покидаете тёплую постель и, если окно было открыто, долго жмётесь от холода… Но вот вы затопили печку[12 - Можно также использовать обогреватель или горячую батарею.]
, и тепло распространяется по комнате… Вы вспоминаете о маленьком воздушном шарике, который вам подарили вчера. Он висит, привязанный, за окном… Не хотите ли проделать с ним интересный опыт, который покажет вам, что в комнате и в самом деле дует ветер?
Привяжите к ниточке шарика бумажку… Шарик упадёт на стол: бумажка перетянет его. Поднимите шарик и понемногу подрезайте снизу бумажку, пока шарик не повиснет в воздухе на любой высоте… Теперь поднесите шарик к печке. Шарик станет подниматься, и всё быстрее и быстрее… Вот он достиг потолка и остановился… Но остановка была минутная. Вы смотрите на шарик и видите, что он потихоньку ползёт к окну. Вот он дошёл до середины комнаты, вот он уже близко от окна. И что же? Он стал вдруг опускаться. Вот он уже над подоконником. Чуть задев за него, шарик скатывается вниз и продолжает медленно спускаться. Через несколько минут он уже на полу…
Нет сомнения, что в комнате ветер… Едва только нагрелась печь, нагрелся и окружающий её воздух. Как и все другие тела, от тепла воздух расширяется, а потому и делается легче… Затопленная печь расположена снизу. Она не может сразу нагреть весь воздух в комнате; нагревается только воздух, находящийся рядом с ней. Сделавшись легче, он поднимается наверх, совсем так же, как пробка, которую вы положили на дно стакана, наполненного водой. Вот почему наш воздушный шарик, как только мы поднесли его к теплу, стал подниматься.
Дойдя до потолка, тёплый воздух не может идти выше. Он расходится во все стороны, достигает до той стены, которая выходит на улицу или во двор… У холодного окна тёплый воздух охлаждается, делается тяжелее и падает. Вместе с ним падает и наш шарик… Дойдя до пола, холодный воздух пойдёт к печке. Только движение это будет уже очень медленным, и слабый ветерок, чуть идущий по полу, не передвинет нашего шарика… У печки воздух опять нагреется, поднимется, пойдёт к окну – и так без конца будет кружиться, пока топится печь.
Можно сделать в комнате ветер более сильным и удостовериться, что низом идёт холодный воздух. Приоткроем дверь в другую, холодную комнату так, чтобы получилась узенькая щёлка. Зажжём свечу и поднесём её к щёлке сначала вверху, потом в середине и, наконец, внизу (рис. 15). Вверху пламя свечи отклонится наружу, то есть в холодную комнату, в середине оно будет стоять прямо, а внизу направится в тёплую сторону. Ясно, что вверху тёплый воздух уходит из комнаты, а внизу холодный приходит в комнату. Ветер на полу сделался заметным потому, что задул сильнее.
Рис. 15. Пламя у полуоткрытой двери
Вы знаете, что на земле есть тёплые страны. Там всегда жарко, люди не знают снега. Растут в этих странах чудные вечнозелёные деревья, наливаются и зреют вкусные плоды. Солнце льёт там на землю горячие лучи, и зной его невыносим… Есть на земле и мрачная страна вечного холода. Огромные льды покрывают там море. Поднимаются они к небу высокими горами, и снег белой скатертью окутывает всё. Нет там ни деревца, ни кустарника. На краю этой холодной пустыни человек не может жить.
Тёплая страна – страна вечного солнца и тепла – то же, что печка в комнате, а мрачное царство холода – то же, что окно. Потому-то и на земле воздух движется так же, как и в комнате: из тёплых стран идёт в холодные – и наоборот.
От ветра зависит погода. От тепла вода превращается в пар и смешивается с воздухом. В тёплом воздухе много воды, или, как говорят, влаги. Если тёплый воздух подойдёт к холодному окну, то водяной пар осядет на окно маленькими капельками – окна вспотеют. Когда после жаркого дня наступает холодный вечер, на листья растений – в поле, в саду, в лесу – садятся крохотные капельки воды. Это роса.
В комнате может идти и снег. Рыбаки, зимовавшие однажды в холодной стране, укрылись от мороза в избушке; когда в избушке стало душно, они отворили дверь. И что же? Вдруг в комнате пошёл снег, и белые хлопья его покрыли весь пол. Но ещё интереснее был случай на одной вечеринке в Петербурге в 1773 г. В зале было жарко и влажно. Одной женщине сделалось дурно. Стали отворять форточку, но она примёрзла. Тогда один из гостей подошёл к окну и выбил стекло. На дворе была буря. Ветер выл и свистел. С шумом рванулся он в комнату сквозь выбитое стекло. И в зале вдруг пошёл снег. Вы уже догадались почему? От холода водяной пар быстро застыл и упал снегом.
Видите, как в комнате может меняться погода? Зная это, вы без труда можете устроить себе несколько забавных игрушек. Это будут настоящие волшебные игрушки. Товарищи, которые ничего не слыхивали о перемене погоды в домах, пожалуй, и в самом деле подумают, что моя книга раскрыла вам все тайны волшебства.
Ветряная мельница в комнате
Рис. 16. Ветряная мельница
Просверлите в пробке дырку насквозь. Сделать это можно накалённой докрасна шпилькой. Закройте её с одной стороны маленьким кусочком стекла; залейте стекло сверху сургучом, чтобы оно держалось на пробке. Вставьте в дырку с другой стороны кусок гусиного пера или обрезок стеклянной трубки. В бока пробки воткните несколько спичек, а к спичкам приклейте или привяжите четырёхугольные кусочки бумаги, как показано на рис. 16. Приклеить их надо немного наклонно, чтобы лицом они стояли к ветру. Наденьте пробку на вязальную иглу на место змейки. Поставьте мельницу к печке, она будет вертеться.
Вертящаяся змея
Из толстой бумаги вырежьте змейку, как показано на рис. 17. В хвосте этой змейки выдавите острым концом вязальной спицы маленькое углубление и положите змейку на конец вязальной иглы, как показано на рис. 18. Другой конец иглы вставьте в деревянную дощечку или в широкую пробку. Поставьте змейку на полу у печки. Она начнёт кружиться. Почему? Полом идёт холодный воздух от окна к печке. Он толкает змейку и заставляет её кружиться.
Рис. 17. Вертящаяся змейка
Рис. 18. Змейка, установленная на печке
Карусель
Кто сумел сделать мельницу, тому ничего не стоит устроить и карусель. Для этого надо мельницу немного переделать. Прежде всего прибавьте к ней крыльев, сделайте их штук восемь. Затем вырежьте из бумаги кружок, в середине его сделайте дырку и проденьте в неё пробку так, чтобы крылья были выше кружка. Кружок должен быть немного меньше крыльев. Остаётся привесить к кружку на ниточках людей, сидящих на лошадках, а сверху воткнуть несколько флагов из папиросной бумаги. Если вы мастер клеить, то можете приделать к кружку и занавески. Карусель готова (рис. 19). Поставьте её около печки, и она завертится.
Рис. 19. Карусель
Воздушный шар
В XIX в, маленький французский городок Аноне прогремел на весь мир. Там был пущен первый воздушный шар! Придумали его братья Монгольфье. В назначенный день на площади собралась несметная толпа народу. Все хотели посмотреть на невиданную диковинку. Посередине площади висел на столбах огромный полотняный шар —7 сажен[13 - Сажень – старорусская единица измерения расстояния. 1 сажень = 7 английских футов = 84 дюйма =
/
версты = 3 аршина = 12 пядей = 48 вершков = 2,1336 м. (Примеч. ред.)] (ок. 15 м) в ширину. Снаружи он был оклеен бумагой. Внизу шара было сделано большое отверстие, а под отверстием висела жаровня. Братья Монгольфье положили в жаровню горячие угли. От их теплоты воздух в шаре нагрелся и сделался легче. Братья перерезали канат, которым шар был привязан к столбу. Шар рванулся, дрогнул и поднялся вверх. Скоро он скрылся в облаках.
