Согревающая вода
Когда вы раздеваетесь в старой холодной ванной, то хотите сразу согреться в горячей воде. Как мы видели в главе 2, вода обладает большой теплоемкостью. Чтобы нагреть литр воды на один градус, нужно больше энергии (примерно 4200 Дж), чем для нагревания на ту же температуру любого другого вещества. Причина в том, что молекулы воды состоят из очень легких атомов (атомы водорода вообще самые легкие, а атомы кислорода занимают в периодической таблице восьмое место), поэтому в воде больше молекул, чем в любом другом веществе. Каждая из них может поглотить определенное количество энергии, начав активные вибрации и движения. Так что большую теплоемкость воде придает именно огромное количество молекул.
И какова же она? Представьте себе, что вы наполнили чайник примерно литром воды, а затем (если бы это было возможно) отлили такой же чайник из цельного железа. Оба поставили на плиту и нагревали бы в течение какого-то времени, чтобы они поглотили одинаковое количество энергии. Вода в первом чайнике закипит. А что станет со вторым? Он, конечно, не расплавится, но станет очень горячим. Его температура достигнет 700 °C[268]. Тот факт, что нагревание воды требует такого огромного количества энергии, делает ее прекрасным средством для транспортировки тепла. Именно поэтому, когда вы сидите в теплой ванне и размышляете о научной природе воды, вода бурлит в батарее отопления на противоположной стороне ванной комнаты. Она делает ванную теплой и уютной.
Почему именно вода?
Вообще-то очевидной причины, по которой батареи центрального отопления заполнены водой, не существует. Точно так же они могли бы быть заполнены каким-нибудь маслом или газом. Это могли бы быть даже сплошные металлические стержни, которые переносили бы тепло из комнаты в комнату путем теплопередачи. Но такая система отопления просто не работала бы так же эффективно, как водяная. Представьте себе металлический стержень, который следовал бы по вашим комнатам причудливыми изгибами примерно по тому же пути, по которому проложены трубы центрального отопления[269]. Теперь представьте, как один конец этого стержня постоянно подогревается газовой горелкой или открытым пламенем (это детали). Чтобы этот стержень смог нагреть вашу комнату, он должен иметь достаточно высокую температуру (порядка 750 °C) и блестящие отражатели, которые направят тепло в помещение[270]. И в таком состоянии этот стержень должен был бы проходить по всем комнатам, лестницам и коридорам и возвращаться к источнику тепла.
Закон сохранения энергии утверждает: чтобы отопить помещения вашего дома, такой стержень должен терять столько же энергии, сколько отдает окружающему пространству. Он должен быстро охлаждаться и становиться все холоднее от комнаты к комнате. Он не может отдавать тепло в одной комнате и сохранять достаточно тепла для следующей. Для этого в последней комнате дома он должен был бы оставаться очень горячим. И первая комната на его пути должны быть более нагрета. Вывод таков: такой металлический стержень не может быть достаточно горячим, чтобы в равной степени обогреть все комнаты одинаково и не стать причиной пожара в доме.
Вода хорошо сохраняет тепло
Разве не странно, что раскаленный докрасна железный стержень не может обогреть дом? Ответ кроется в разнице между температурой и энергией. Инстинктивно мы полагаем, что горячие предметы содержат много тепловой энергии, но это не всегда верно. Как мы видели в главе 13, есть принципиальная разница между температурой объекта и заключенной в ней тепловой энергией. Именно поэтому холодный айсберг может содержать много тепла.
Любимый вопрос учителя физики таков: почему вы можете обжечь губы о начинку горячего яблочного пирога, но не обожжетесь о корочку жареной вермишели, хотя оба эти лакомства одинаковой температуры? Дело в том, что сухая корочка содержит сравнительно мало влаги, поэтому в ней заключено меньше тепловой энергии, чем в жидкой яблочной начинке, которая в основном состоит из воды. Когда ваш язык касается корочки вермишели, она быстро отдает тепло рту, но не обжигает его и быстро остывает. Когда то же происходит с яблочным пирогом, его жидковатая начинка отдает много тепловой энергии и может обжечь губы. Потому-то вы можете удержать голой рукой пирог «с пылу с жару», только что вынутый из печи и завернутый в алюминиевую фольгу. Алюминий обладает низкой теплоемкостью (примерно в пять раз ниже, чем вода), так что, когда вы касаетесь его и понижаете его температуру до температуры своего тела, он не отдает много тепла и не обжигает.
Но давайте все же разберемся, почему система отопления, заполненная водой, работает лучше, чем твердый отопительный элемент, который можно пропустить по дому. Как может вода в этой системе отдавать тепло в каждой комнате и сохранять достаточное его количество, чтобы отапливать следующие помещения? Всё снова объясняется высокой теплоемкостью воды – ее удивительной способностью удерживать тепло благодаря особенностям своего молекулярного строения. Удельная теплоемкость железа почти в девять раз ниже, чем воды. Когда килограмм разогретого железа остывает на 10 °C, он отдает в девять раз меньше тепловой энергии, чем когда на 10 °C остывает литр воды. Хотя при движении из помещения в помещение подогретая в отопительной системе вода постепенно остывает, она все равно отдает дому много тепла. И, конечно, обладая высокой текучестью, она может быть быстро возвращена в отопитель, чтобы повторить весь цикл.
Именно поэтому мы кладем в кровать для согревания бутыли или другие емкости с горячей водой, а не разогретые куски железа. В старину люди использовали медные грелки, которые были похожи на закрытые сковородки с длинными ручками, заполненные горячими углями. Поначалу они были горячими, но долго тепло не держали, поскольку медь обладает сравнительно небольшой теплоемкостью. К тому же они были небезопасны в использовании.
▲ Почему вода хорошо держит тепло. Вода держит тепло лучше почти всех веществ и материалов: у нее высокая удельная теплоемкость. Это означает, что нужно больше энергии (4 Дж), чтобы нагреть 1 г воды на 1 °C. Металлы имеют низкую удельную теплоемкость, потому что являются хорошими проводниками тепла (обладают высокой теплопроводностью). Приведенные выше данные по теплоемкости веществ измерены в соотношении 1 Дж / 1 г / 1 °C.
