Phoenix Criminal Lawyer
октября 20, 2010

 


 


Профессор А. ШУБНИКОВ

Всякий, кто прочитал замечательную книгу Я. И. Перельмана «Знаете ли вы физику?» (изд. второе, ОНТИ, 1935 г.), должен почувствовать, как, в сущности, плохо мы умеем пользоваться законами физики даже и тогда, когда мы с полным правом можем считать себя знающими физику.

Идея настоящей заметки возникла после размышления над задачей № 155 из названной книги. В этой задаче спрашивается, можно ли довести воду до кипения, подогревая ее 100-градусным паром. В ответе говорится, что «100-градусным паром можно довести воду до точки кипения, но не до состояния кипения: вода будет оставаться в жидком виде».

Мы прекрасно понимаем, что хотел сказать автор, но полагаем, что ту же мысль он мог бы выразить не в отрицательной, а в положительной форме, например, так:

Стоградусным паром можно довести воду до кипения, ибо этим способом можно нагреть воду до 100° и привести ее в такое состояние, когда пар будет проходить через нее пузырьками, а ведь кипящей водой как раз и называется такая 100-градусная вода, через которую проходят пузырьки пара. Где находится эта 100-градусная вода (несомненно, жидкая, ибо ведь иной-то воды не существует,если термин «вода» употребляется не в химическом, а в физическом смысле), через которую проходят пузырьки пара,— в той же посудине, где образуется пар, или в другой, очевидно, не может быть существенным, особенно если в задаче на этот счет ничего не говорится.

Разобранное нами недоразумение с решением одной из самых простых задач по физике особенно типично для тех научных споров, в основе которых лежит употребление спорящими сторонами обыкновенных слов и научных терминов в неодинаковом смысле». Сущность явления такого рода спорами не затрагивается.

Другое дело, когда в споре обнаруживается глубочайшее незнание того, что кажется хорошо известным обеим сторонам. В этом случае участники спора и посторонние слушатели могут извлечь для себя от дискуссии огромную пользу. Ради этой цели мы позволим себе поставить задачу Я. И. Перельмана более широко: можно ли нагреть 100 градусным паром жидкость выше 100°?

Этот вопрос был предложен 25 лет назад профессором физической химии Крапивиным выпускникам-студентам Московского университета, к которым принадлежал тогда и автор настоящей заметки. С тех пор мне много раз приходилось задавать этот вопрос рядовым физикам и химикам, и не было случая, когда я получил бы правильный ответ. Один из видных химиков так обиделся на мой вопрос, что не пожелал даже продолжать разговор на эту тему, объявив, что сама постановка вопроса может свидетельствовать только о моем глубочайшем невежестве в физике; надо думать, что он причислил меня к сумасшедшим изобретателям перпетуум-мобиле. Дело кончилось тем, что мне пришлось обманом завлечь умного химика в лабораторию, где заранее был приготовлен опыт, показывающий, что 100-градусным паром можно нагреть жидкость до 110° и много выше. Опыт делается очень просто.

Можно ли нагреть

В колбу Вюрца наливается вода (см. рисунок); в горлышко колбы вставляется пробка с термометром, причем шарик термометра, как полагается, помещается возле впая боковой пароотводной трубки колбы; свободный конец этой трубки погружается в насыщенный раствор поваренной соли. В стаканчик с раствором добавлен значительный избыток соли и погружен второй термометр. Для получения скорейшего ответа на поставленный нами вопрос желательно раствор подогреть до опыта, скажем, до 90°.

Когда все приготовления сделаны, нагреваем воду в колбе до кипения и наблюдаем показания обоих термометров. Нетрудно убедиться, что ртуть термометра в колбе, поднявшись до метки 100° (чуть выше или ниже в зависимости от глубины погружения отводной трубки в раствор соли, давления атмосферы и верности термометра), будет оставаться в этом положении все время, пока кипит вода; ртуть же второго термометра будет подниматься до тех пор, пока пар не перестанет конденсироваться в растворе и не начнет проходить через него пузырьками в воздух. Другими словами, температура раствора соли будет подниматься до тех пор, пока он не закипит. Для большей убедительности опыта в этот момент можно поменять термометры местами.

Итак, 100-градусным паром можно нагреть жидкость выше 100°. Как же объяснить этот факт, если «всем известно», что по второму началу термодинамики холодным телом нельзя нагреть горячее?

К счастью, второе начало этого не утверждает, а то, что оно утверждает, к сожалению, способен по-настоящему понять лишь весьма ограниченный круг лиц, если принять во внимание то невероятное количество ошибок, относящихся ко второму началу, которое можно найти не только в курсах физики, но и в курсах термодинамики. Описанное нами явление можно объяснить очень просто.

Если в раствор соли помещен пузырек водяного пара, то он или станет конденсироваться или всплывать на поверхность раствора. Всплывать он может только тогда, когда жидкость нагрета до кипения, ибо кипящая жидкость и есть та самая жидкость, в которой пар (ее собственный, конечно) может всплывать. Но ведь насыщенный раствор соли кипит при 110°. Следовательно, после того как раствор соли будет нагрет до 100°, пары воды будут продолжать конденсироваться в растворе соли. При конденсации пара выделяется тепло (540 кал/г), которое и будет нагревать раствор далее, пока не будет достигнута температура в 110°.

Можно рассуждать и иначе. Упругость водяного пара над раствором при 100° меньше, чем над чистым растворителем (т. е. чем над водой); следовательно, водяной пар, имеющий в кипящей воде упругость в одну атмосферу, не может иметь ту же упругость, попав в раствор. Если же упругость пара меньше атмосферного давления, то он должен конденсироваться в растворе и, выделяя теплоту конденсации, нагревать его.

Если вместо раствора поваренной соли взять более высоко кипящий раствор, то он, очевидно, может быть нагрет паром выше, чем раствор соли.

Само собой разумеется, что сказанное не может иметь приложения к нагреванию парами воды таких жидкостей, которые с водой не дают растворов: например, ртуть нельзя нагреть водяным паром до температуры ее кипения.

 

Комментировать