Реферат: Тепловые явления

Высота Эйфелевой башни.

Если теперь нас спросят, какова высота Эйфелевойбашни, то прежде чем ответить: «300 метров», вы, вероятно,поинтересуетесь:

--В какую погоду—холодную или теплую?

Ведь высота столь огромного железного сооружения неможет быть одинакова при разной температуре. Мы знаем, что железный стерженьдлиной 300м удлиняется на 3мм при нагревании его на один градус.Приблизительно на столько же должна возрастать и высота Эйфелевой башни приповышении температуры на 1 градус. В теплую солнечную погоду железный материалбашни может нагреться в Париже градусов до +40, между тем как в холодный,дождливый день температура его падает до +10, а зимою до 0, даже до –10. Каквидим, колебания температуры доходят до 40 и более градусов. Значит, высота Эйфелевойбашни может колебаться на 3 40=120мм, или на 12см.

Прямые измеренияобнаружили даже, что Эйфелева башня еще чувствительнее к колебаниямтемпературы, нежели воздух: она нагревается и охлаждается быстрее и раньшереагирует на внезапное появление солнца в облачный день. Изменения высотыЭйфелевой башни обнаружены с помощью проволоки из особой никелевой стали,обладающей способностью почти не изменять своей длины при колебанияхтемпературы. Замечательный сплав этот носит название «инвар»(отлатинского «неизменный).

Итак, в жаркий день вершина Эйфелевой башниподнимается выше, чем в холодный, на кусочек, равный 12см и сделанный изжелеза, которое, впрочем, не стоит ни одного лишнего сантима.

КогдаОктябрьская железная дорога длиннее--летомили зимой?

На вопрос: „Какой длины Октябрьскаяжелезная дорога?“—кто-то ответил:

--Шестьсот сорок километров в среднем; летом метров на тристадлиннее, чем зимой.

Неожиданный ответ этот не так нелеп, какможет показаться. Если длиной железной дороги называть длину сплошногорельсового пути, то он и в самом деле должен быть летом длиннее, чем зимой. Незабудем, что от нагревания рельсы удлиняются—на каждый градус Цельсия более чемна одну 100 000-ю своей длины. В знойные летние дни температура рельса можетдоходить до 30-40 градусов и выше; иногда рельс нагревается солнцем таксильно, что обжигает руку.В зимние морозы рельсы охлаждаются до –25 градусов иниже. Если остановиться на разнице в 55 градусов между летней и зимней температурой,то, умножив общую длину пути 640 км на 0,00001 и на55, получим около 1/3 км. Выходит,что и в самом деле рельсовый путь между Москвой и Ленинградом на третькилометра, т. е. примерно на триста, длиннее, нежели зимой.

Изменяетсяздесь, конечно, не длина дороги, а только сумма длин всех рельсов. Это не однои то же, потому что рельсы железнодорожного пути не примыкают друг к другувплотную: между их стыками оставляются небольшие промежутки—запас длясвободного удлинения рельсов при нагревании. Наше вычисление показывает, чтосумма длин всех рельсов увеличивается за счет общей длины этих пустыхпромежутков; общее удлинение в летние знойные дни достигает 300м посравнению с величиной ее в сильный мороз. Итак, железная частьОктябрьской дороги действительно летом на 300 м длиннее, нежели зимой.

Часы без завода.

Лед, не тающий в кипятке.

Возьмите пробирку, наполните водой, погрузите в неекусочек льда, а чтобы он не всплыл вверх (лед легче воды), придавите егосвинцовой пулей, медным грузиком и т.п.; при этом, однако, вода должна иметьсвободный доступ ко льду. Теперь приблизьте пробирку к спиртовой лампе так,чтобы пламя лизало только верхнюю часть пробирки. Вскоре вода начинает кипеть,выделяя клубы пара. Но странная вещь: лед на дне пробирки не тает! Мы имеемперед собой словно маленькое чудо: лед, не тающий в кипящей воде…

Разгадка кроется в том, что на дне пробирки водавовсе не кипит, а остается холодной; она кипит только вверху. У нас не»лед в кипятке", а «лед под кипятком». Расширяясь от тепла,вода становится легче и не опускается на дно, а остается в верхней частипробирки. Течения теплой воды и перемешивание слоев будут происходить в верхнейчасти пробирки и не захватят нижних более плотных слоев. Нагревание можетпередаваться вниз лишь путем теплопроводности, но теплопроводность водычрезвычайно мала.

Греет ли шуба?

Что сказали бы вы, если бы вас стали уверять, будтошуба нисколько не греет? Вы подумали бы, конечно, что с вами шутят. А если бывам стали доказывать это утверждение на ряде опытов? Проделайте,например, такой опыт. Заметьте, сколько показывает термометр, и закутайте его вшубу. Через несколько часов выньте. Вы убедитесь, что он не нагрелся даже начетверть градуса: сколь показывал раньше, столько показывает и теперь. Вот идоказательство, что шуба не греет. Вы могли бы заподозрить, что шубы дажехолодят. Возьмите два пузыря со льдом, один закутайте в шубу, другой оставьте в комнате незакрытым. Когда лед во втором пузыре растает, разверните шубу: выувидите, что здесь он почти и не начинал таять. Значит, шуба не только несогрела льда, но как будто даже холодила его, замедляя таяние!

Чтоможно возразить? Как опровергнуть эти доводы? Никак. Шубыдействительно не греют, если под словом «греть» разуметь сообщениетеплоты. Лампа греет, печка греет, человеческое тело греет, потому что всеэти предметы являются источником теплоты. Но шуба в этом смысле слова нисколько не греет. Она своего тепла не дает, а только мешает теплоте нашеготела уходить от него .Вот почему теплокровное животное, тело которого самоявляется источником тепла, будет чувствовать себя в шубе теплее, чем без нее.Но термометр не порождает собственного тепла, и его температура не изменится оттого, что мы закутаем его в шубу. Лед, обернутый в шубу, дольше сохраняет своюнизкую температуру, потому что шуба—весьма плохой проводник теплоты—замедляетдоступ к нему тепла извне, от комнатного воздуха.

В таком же смысле, как шуба, снег греет землю;будучи, подобно всем порошкообразным телам, плохим проводником тепла, он мешаеттеплу уходить из покрытой им почвы. В почве, защищенной слоем снега, термометрпоказывает нередко градусов на десять больше, чем в почве, не покрытой снегом.

Итак, на вопрос, греет ли нас шуба, надоответить, что шуба только помогает нам греть самих себя. Вернее было быговорить, что мы греем шубу, а не она нас.

Веер.

Когда женщины обмахиваютсявеерами, им, конечно, становится прохладнее. Казалось бы, что занятие этовполне безвредно для остальных присутствующих в помещении и что собравшиесямогут быть только признательны женщинам за охлаждение воздуха в зале.

Посмотрим,так ли это. Почему при обмахивании веером мы ощущаем прохладу?Воздух, непосредственно прилегающий к нашему лицу, нагревается и эта теплаявоздушная маска, невидимо облегающая наше лицо, «греет» его, т. е.замедляет дальнейшую потерю тепла. Если воздух вокруг нас неподвижен, тонагревшийся близ лица слой воздуха лишь весьма медленно вытесняется вверх болеетяжелым ненагретым воздухом. Когда же мы смахиваем веером с лица теплуювоздушную маску, то лицо соприкасается с все новыми порциями ненагретоговоздуха и непрерывно отдает им свою теплоту; тело наше остывает, и мы ощущаемпрохладу.

Значит,при обмахивании веером женщины непрерывно удаляют от своего лица нагретыйвоздух и заменяют его ненагретым; нагревшись, этот воздух удаляется в своюочередь и заменяется новой порцией ненагретого, и т. д.

Работавеером ускоряет перемешивание воздуха и способствует быстрейшему уравниваниютемпературы воздуха во всем зале, т. е. доставляет облегчение обладательницамвеера за счет более прохладного воздуха, окружающего остальных присутствующих.Для действия веера имеет значение еще одно обстоятельство, о котором мы сейчасрасскажем.

Отчего при ветре холоднее?

Всезнают, что в тихую погоду мороз переносится гораздо легче, чем при ветре. Но невсе представляют себе причину этого явления. Большой холод при ветре ощущается лишьживыми существами; термометр вовсе не опускается ниже, когда его обдуваетветер. Ощущение резкого холода в ветреную морозную погоду объясняется преждевсего тем, что от лица (и вообще от тела) отнимается при этом гораздо большетепла, нежели в тихую погоду, когда воздух, нагретый телом, не так быстросменяется новой порцией холодного воздуха. Чем ветер сильнее, тем большая массавоздуха успевает в течение минуты прийти в соприкосновение с кожей, и,следовательно, тем больше тепла отнимается ежеминутно от нашего тела. Этогоодного уже достаточно, чтобы вызвать ощущение холода.

Но есть и еще причина. Кожа наша всегда испаряетвлагу, даже в холодном воздухе. Для испарения требуется теплота; она отнимаетсяот нашего тела и от того слоя воздуха, который к телу прилегает. Если воздухнеподвижен, испарение совершается медленно, т. к. прилегающий к коже слойвоздуха скоро насыщается парами. Но если воздух движется и к коже притекают всеновые и новые его порции, то испарение все время поддерживается очень обильное,а это требует большого расхода теплоты, которая отбирается от нашего тела.

Какже велико охлаждающее действие ветра? Оно зависит от его скорости иот температуры воздуха; в общем оно гораздо значительнее, чем обычно думают.Приведу пример, дающий представление о том, какого бывает это понижение. Пустьтемпература воздуха +4, а ветре нет никакого. Кожа нашего тела при такихусловиях имеет температуру +31. Если же дует легкий ветерок, едва движущийфлаги и не шевелящий листвы(скорость 2 м/сек), то кожа охлаждается на 7градусов; при ветре, заставляющем флаг полоскаться(скорость 6м/сек),кожа охлаждается на 22 градуса: температура ее падает до 9 градусов! Эти данныевзяты из книги Н. Н. Калитина «Основы физики атмосферы в применении кмедицине»; любознательный читатель найдет в ней много интересныхподробностей.

Итак,о том, как будет ощущаться нами мороз, мы не можем судить по одной лишьтемпературе, а должны принимать во внимание также и скорость ветра. Один и тотже мороз переносится в Ленинграде в среднем хуже, чем в Москве, потому чтосредняя скорость ветра на берегах Балтийского моря равна 5-6 м/сек, а вМоскве—только 4,5 м/сек. Еще легче переносятся морозы в Забайкалье, гдесредняя скорость ветра всего 1,3 м/сек. Знаменитые восточносибирскиеморозы ощущаются далеко не так жестоко, как думаем мы; Восточная Сибирьотличается почти полным безветрием, особенно в зимнее время.

Какую жару способны мы переносить?

Человек гораздовыносливее по отношению к жаре, чем обыкновенно думают: он способен переноситьв южных странах температуру заметно выше той, какую мы в умеренном поясесчитаем едва переносимой. Летом в Средней Австралии нередко наблюдаетсятемпература +46 градусов в тени; там отмечались температуры даже +55 градусов в тени (по Цельсию). При переходе через Красное море и Персидский заливтемпература в корабельных помещениях достигает +50 градусов и выше, несмотря нанепрерывную вентиляцию.

Наиболее высокие температуры, наблюдавшиеся в природена земном шаре, не превышали +57. Температура эта установлена в так называемой«Долине Смерти» в Калифорнии. Зной в Средней Азии—не бывает выше +50градусов.

Отмеченные сейчас температуры измерялись в тени.Почему метеоролога интересует температура именно в тени, а не на солнце?Дело в том, что температуру воздуха измеряет только термометр, выставленныйв тени. Градусник, помещенный на солнце, может нагреться его лучами значительновыше, чем окружающий воздух, и показание его нисколько не характеризуеттеплового состояния воздушной среды. Поэтому и нет смысла, говоря о знойнойпогоде, ссылаться на показание термометра, выставленного на солнце.

Производились опыты для определения высшейтемпературы, какую может выдержать человеческий организм. Оказалось, что привесьма постепенном нагревании организм наш в сухом воздухе способенвыдержать не только температуру кипения воды ( 100 градусов), но иногда дажееще более высокую, до 160 градусов по Цельсию, как доказали английские физикиБлагден и Чентри, проводившие ради опыта целые часы в натопленной печихлебопекарни. «Можно сварить яйца и изжарить бифштекс в воздухе помещения,в котором люди остаются без вреда для себя»,-- замечает по этому поводу Тиндаль.

Чем же объясняется такая выносливость? Тем, чтоорганизм наш фактически не принимает этой температуры, а сохраняет температуру,близкую к нормальной. Он борется с нагреванием посредством обильного выделенияпота; испарение пота поглощает значительное количество тепла из того слоявоздуха, который непосредственно прилегает к коже, и тем в достаточной мерепонижает его температуру. Единственные необходимые условия состоят в том, чтобытело не соприкасалось непосредственно с источником тепла и чтобы воздух былсух.

Кто бывал в Средней Азии, тот замечал, каксравнительно легко переносится там жара в 37 градусов Цельсия и более.24-градусная жара в Ленинграде переносится гораздо хуже. Причина, конечно, вовлажности воздуха в Ленинграде и сухости его в Средней Азии, где дождь –явление крайне редкое ( в июне влажность доходит до нуля).

Почему пламя не гаснет само собой?

Если вдуматься хорошенько в процесс горения, то невольно возникает вопрос: отчего пламя не гаснет само собой? Ведь продуктами горения являются углекислый газ иводяной пар—вещества негорючие, неспособные поддерживать горение.Следовательно, пламя с первого же момента горения должно быть окруженонегорючими веществами, которые мешают притока воздуха; без воздуха горениепродолжаться не может, и пламя должно погаснуть.

Почему же этого не происходит? Почему горениедлиться непрерывно, пока естьзапас горючего вещества? Только потому,что газы расширяются от нагревания и, следовательно, становятся легче.Лишь благодаря этому нагретые продукты горения не остаются на месте своегообразования, в непосредственном соседстве с пламенем, а немедленно жевытесняются вверх чистым воздухом. Если бы закон Архимеда не распространялсяна газы(или если бы не было тяжести), всякое пламя, погоревши немного, гасло бысамо собой.

Весьма легко убедиться в том, как губительно действуютна пламя продукты его горения. Вы нередко пользуетесь этим, сами того неподозревая, чтобы загасить огонь в лампе. Как задуваете вы керосиновую лампу?Дуете в нее сверху, т. е. гоните вниз, к пламени, негорючие продукты егогорения; и оно гаснет, лишенное свободного доступа воздуха.

Горячий лед.

Есть еще более удивительная вещь: горячий лед. Мыпривыкли думать, что вода в твердом состоянии не может существовать притемпературе выше нуля. Исследования английского физика Бриджмена показали, чтоэто не так: под весьма значительным давлением вода переходит в твердоесостояние и остается такой при температуре значительно выше нуля. ВообщеБриджмен показал, что может существовать не один сорт льда, а несколько. Тотлед, который он называет «льдом № 5», получается под чудовищнымдавлением в 20 600 атмосфер и остается твердым при температуре +76 градусов поЦельсию. Он обжег бы нам пальцы, если бы мы могли до него дотронуться. Ноприкосновение к нему невозможно: лед №5 образуется под давлением мощного прессав толстостенном сосуде из лучшей стали. Увидеть его или взять в руки нельзя, ио свойствах «горячего льда» узнают лишь косвенным образом.

Любопытно, что «горячий лед» плотнееобыкновенного, плотнее даже воды: его удельный вес 1,05. Он должен был бытонуть в воде, между тем как обыкновенный лед в ней плавает.

Используемаялитература:

1.Перельман Я. И. «Занимательная физика». Изд.«Тезис»Екатеринбург 1994г.