Школьная программа для взрослых. Вспомним главное

Термодинамика — это раздел физики, который изучает тепловые явления. То есть всё, что связано с нагревом, охлаждением, плавлением, кипением и превращением тепла в работу. Мы сталкиваемся с этим каждый день, когда греем чайник, включаем обогреватель или просто трём замёрзшие ладони.

Температура и теплота

Температура — это мера средней скорости движения молекул. Чем быстрее движутся молекулы, тем выше температура. Теплота же — это энергия, которую тело получает или теряет при теплообмене.

Простой пример. В ведре горячей воды и в чашке горячей воды температура может быть одинаковой, допустим 80°. Но теплоты, то есть энергии, в ведре гораздо больше. Поэтому ведро будет остывать дольше, а чашка остынет за несколько минут. Температура показывает, насколько горячо, а теплота — сколько этой «горячести».

Внутренняя энергия

У любого тела есть внутренняя энергия. Это энергия движения и взаимодействия всех его молекул. Когда тело нагревают, молекулы начинают двигаться быстрее, и внутренняя энергия растёт. Когда охлаждают — падает. Изменить внутреннюю энергию можно двумя способами: совершить над телом работу, например потереть ладони друг о друга, или передать ему тепло, например погреть руки у костра.

Агрегатные состояния

В зависимости от температуры одно и то же вещество может находиться в разных состояниях. Лёд, вода и пар — это одно и то же химическое вещество, H₂O, но в разных агрегатных состояниях. В твёрдом теле молекулы только колеблются около своих мест. В жидкости они уже могут перемещаться, но всё ещё притягиваются друг к другу. В газе молекулы летают свободно и почти не взаимодействуют.

Почему вода ведёт себя именно так? Всё дело в энергии молекул. При низких температурах у молекул мало энергии, они не могут преодолеть притяжение соседей и только слегка дрожат на месте — так образуется лёд. Когда мы нагреваем лёд, молекулы получают больше энергии, их колебания усиливаются, и в какой-то момент они отрываются от своих мест — лёд тает, превращаясь в воду. При дальнейшем нагреве самые быстрые молекулы вырываются с поверхности — начинается испарение. А когда вода закипает, энергию получают уже все молекулы сразу, и они дружно превращаются в пар.

Переход из твёрдого в жидкое состояние называется плавлением, обратный процесс — кристаллизацией. Переход из жидкости в газ — парообразованием, обратный — конденсацией. Есть ещё сублимация, когда твёрдое тело сразу превращается в газ, минуя жидкость, например сухой лёд.

Теплопередача

Тепло может передаваться тремя способами. Первый — теплопроводность. Это когда энергия передаётся от одной части тела к другой через столкновения молекул. Металлы хорошо проводят тепло, поэтому металлическая ложка в горячей кружке быстро нагревается. Дерево и пластик проводят тепло хуже, поэтому из них делают ручки для кастрюль.

Второй способ — конвекция. Это перенос тепла потоками жидкости или газа. Тёплый воздух от батареи поднимается вверх, холодный опускается вниз, и так возникает циркуляция, которая равномерно прогревает комнату. Именно поэтому батареи располагают в нижней части помещения.

Третий способ — излучение. В отличие от первых двух, излучению не нужен контакт или переносчик. Солнце греет Землю через космический вакуум именно излучением. Любой нагретый предмет излучает инфракрасные лучи. Чем горячее предмет, тем сильнее излучение.

Почему шуба не греет

Шуба сама по себе не вырабатывает тепло. Она просто сохраняет то тепло, которое вырабатывает ваше тело. Мех, пух, шерсть создают множество крошечных воздушных карманов. Воздух — плохой проводник тепла, поэтому нагретый телом воздух в этих карманах очень медленно передаёт тепло наружу. Шуба выполняет роль барьера: она препятствует конвекции — процессу, при котором тёплый воздух, будучи легче холодного, поднимается вверх и уносит тепло. Без шубы этот процесс шёл бы непрерывно, и тело быстро теряло бы тепло. Таким образом, шуба работает как изолятор, сохраняя тепло сразу двумя способами: используя низкую теплопроводность воздуха и блокируя его перемешивание с холодными слоями снаружи.

Чтобы лучше понять этот принцип, представьте полиэтиленовую куртку. Если куртка тонкая и плотно прилегает к телу, она не защитит от холода — воздух под ней вытеснен, а тонкий полиэтилен сам по себе не удерживает тепло. Если же куртка свободная и внутри есть воздух, она какое-то время будет работать как изолятор. Но есть проблема: полиэтилен не пропускает пар. Тело постоянно испаряет влагу, она остаётся внутри, воздух становится сырым, а влага отводит тепло гораздо быстрее сухого воздуха. К тому же любой зазор приведёт к тому, что тёплый воздух уйдёт, а холодный затечёт внутрь. Шуба же устроена иначе: тысячи мелких ворсинок удерживают воздух в неподвижных ячейках, не дают ему перемешиваться, но при этом пропускают пар, позволяя телу оставаться сухим.

Та же логика у термоса, двойных стеклопакетов и утеплителей в домах. Везде работает прослойка воздуха или другого материала, который плохо проводит тепло и замедляет его утечку.

Именно поэтому любая зимняя одежда — это не обогреватель, а изолятор. Чем мельче и многочисленнее воздушные карманы, тем лучше одежда сохраняет тепло. Современные материалы вроде тинсулейта или аэрогеля работают по тому же принципу: они просто создают ещё больше микроскопических ловушек для воздуха.

Но стоит одежде намокнуть, и вся эта схема рушится. Вода проводит тепло примерно в 25 раз лучше воздуха. Когда вода заполняет воздушные карманы, она начинает активно отводить тепло от тела. Кроме того, вода испаряется, а на испарение требуется дополнительная энергия, которую организм отдаёт ещё быстрее. Именно поэтому мокрая одежда не просто перестаёт греть, а начинает буквально высасывать тепло.

Законы термодинамики

В термодинамике есть несколько фундаментальных законов. Первый закон термодинамики — это закон сохранения энергии для тепловых процессов. Он гласит: изменение внутренней энергии системы равно сумме переданного ей тепла и работы, совершённой над системой. Проще говоря, энергия не берётся из ниоткуда и не исчезает в никуда. Если вы нагрели воду, значит, на это потратилась энергия газа или электричества.

Второй закон термодинамики звучит сложнее, но суть его в том, что тепло не может само переходить от холодного тела к горячему. Вы не можете собрать рассеявшуюся энергию обратно. Именно поэтому вечный двигатель невозможен. Энергия всегда стремится рассеяться, а порядок — превратиться в хаос. В физике это называется ростом энтропии.

Третий закон термодинамики говорит о том, что нельзя достичь абсолютного нуля температуры, то есть −273,15°С. Можно приближаться к нему сколь угодно близко, но никогда не достичь.

Эти законы работают везде: в двигателях внутреннего сгорания, в холодильниках и даже в биологических процессах. Термодинамика — это, по сути, наука о том, как энергия меняет свои формы и почему всё в конечном итоге приходит к равновесию.

Колебаниями называют процессы, которые регулярно повторяются во времени. Качели, маятник, струна гитары, мембрана динамика — всё это примеры колебательных систем. У каждого колебания есть свои характеристики: частота (как часто повторяется), амплитуда (размах) и период (время одного цикла).

Волны — это способ, которым колебания передаются в пространстве. Когда колебания распространяются от источника к другим точкам, возникает волна. Звук, свет, круги на воде — всё это волны, только устроены они по-разному. Звук — это механические колебания воздуха, а свет — электромагнитные колебания, которые могут распространяться даже в вакууме.

Маятник

Самый простой пример механических колебаний — обычный маятник. Это груз, подвешенный на нити или стержне. Если отклонить его от положения равновесия и отпустить, он начнёт качаться.

Важная характеристика колебаний — период, то есть время одного полного колебания. Для маятника период зависит только от длины нити и ускорения свободного падения. Масса груза не влияет. Именно поэтому маятники использовали в часах: длина нити постоянна, значит, и период постоянен. Даже когда размах качаний уменьшается из-за трения, время каждого колебания остаётся тем же самым. Механизм часов просто подталкивает маятник, не давая ему остановиться.

Ещё одна характеристика — частота. Это количество колебаний в секунду. Частота измеряется в герцах. Одно колебание в секунду — 1 Гц.

Амплитуда — это максимальное отклонение груза от положения равновесия во время колебания.

Звук

Звук — это механические волны, которые распространяются в воздухе, воде или твёрдых телах. Когда гитарная струна колеблется, она толкает молекулы воздуха, те толкают соседние, и так возникает волна, которая долетает до вашего уха и заставляет барабанную перепонку колебаться.

У звука есть три основные характеристики. Высота тона зависит от частоты колебаний. Чем выше частота, тем выше звук. Человек слышит примерно от 16–20 Гц до 20 000 Гц. Всё, что ниже, называется инфразвуком, выше — ультразвуком.

Громкость зависит от амплитуды колебаний. Чем больше размах колебаний струны, тем громче звук. Громкость измеряют в децибелах, о которых мы уже говорили в разделе про логарифмы. Шёпот — это около 20–30 дБ, разговор — 50–60 дБ, рок-концерт — все 110–120 дБ.

Тембр — это окраска звука. Благодаря тембру мы отличаем звук гитары от звука пианино, даже если они играют одну и ту же ноту.

Резонанс

Резонанс — это явление резкого возрастания амплитуды колебаний, когда частота внешней силы совпадает с собственной частотой системы. Проще говоря, если толкать качели в такт их собственному ритму, они раскачиваются быстрее и сильнее. Вряд ли что-то получится, если толкать невпопад.

Резонанс бывает полезным и опасным. Благодаря резонансу работают музыкальные инструменты: корпус гитары или скрипки усиливает звук струн. На резонансе основана работа многих измерительных приборов, например частотомеров.

Но резонанс может и разрушать. Известны случаи, когда солдаты, идущие в ногу по мосту, вызывали резонанс, и конструкция рушилась. Именно это произошло в 1905 году в Санкт-Петербурге: Египетский мост обрушился, когда по нему шёл кавалерийский эскадрон. Ритм шага лошадей совпал с собственной частотой моста, амплитуда колебаний мгновенно выросла, и цепи не выдержали. С тех пор военным строго приказывают сбивать шаг при переходе через любые мосты.

Резонанс встречается не только в механике. Электрические цепи, атомы, даже целые здания могут иметь свои резонансные частоты. В сейсмоопасных районах строители проектируют здания так, чтобы их собственная частота не совпадала с частотой колебаний грунта во время землетрясения.

Электричество и магнетизм — это две стороны одного явления, которое физики называют электромагнетизмом. Мы сталкиваемся с ними постоянно: свет лампы, работа компьютера, радиоволны, даже сокращение мышц и передача сигналов в нервной системе — всё это электромагнитные явления.

Электрический заряд

Всё вокруг состоит из атомов. В центре атома находится ядро. Ядро состоит из протонов, у которых положительный заряд, и нейтронов — они нейтральны и никакого заряда не имеют. Вокруг ядра вращаются электроны, их заряд отрицательный. В обычном состоянии число протонов равно числу электронов, поэтому атом в целом нейтрален.

Если потереть эбонитовую палочку о шерсть, часть электронов перейдёт с шерсти на палочку. Шерсть легко отдаёт свои электроны, а эбонит, наоборот, жадно их принимает. В итоге палочка получит лишние электроны и зарядится отрицательно. Шерсть же, потеряв минусы, станет заряженной положительно. Это называется электризацией трением.

Теперь о главном правиле. Одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые притягиваются. Одноимённые — значит одинаковые: два положительных или два отрицательных заряда. Они друг от друга отталкиваются. Разноимённые — это разные заряды: положительный и отрицательный. Они притягиваются.

Именно поэтому после расчёсывания волосы иногда тянутся к расчёске. Они обмениваются электронами, приобретают разные заряды и начинают притягиваться друг к другу.

Электрический ток

Если соединить два тела с разными зарядами проводником, по нему побегут электроны от отрицательного заряда к положительному. Почему именно так? Всё просто: электроны сами заряжены отрицательно, поэтому «минус» их отталкивает, а «плюс» притягивает. Это движение и есть электрический ток.

Правда, здесь кроется забавный исторический парадокс: в физике и технике за официальное направление тока принято движение от плюса к минусу. Учёные договорились об этом ещё до того, как открыли электрон. Когда ошибка выяснилась, переделывать все схемы уже не стали. Так и осталось: электроны бегут в одну сторону, а на схемах ток рисуют в противоположную.

Вернёмся к нашему опыту. Если просто соединить два заряженных тела проводником, то ток быстро закончится — как только заряды на обоих концах уравняются. Чтобы ток существовал постоянно, нужен источник, который поддерживает разность зарядов. В батарейке или розетке эту работу выполняют химические реакции или генераторы. Именно они создают напряжение.

Напряжение — это, грубо говоря, «напор», с которым источник толкает электроны по проводу. Чем выше напряжение, тем сильнее этот напор. В розетке напряжение большое, поэтому удар током может быть опасен. В пальчиковой батарейке напряжение маленькое — её можно спокойно держать в руках.

Сила тока показывает, сколько электронов проходит через проводник за секунду. Это как количество воды, протекающей по трубе. Измеряется сила тока в амперах.

Но даже при хорошем напоре ток может быть слабым, если проводник плохо пропускает электроны. Это называется сопротивлением — свойством материала мешать прохождению тока. Тонкий провод мешает сильнее, у него большое сопротивление. Толстый провод пропускает ток легче, у него сопротивление маленькое. Медь хорошо проводит ток, поэтому у медных проводов сопротивление низкое. А резина, наоборот, почти не проводит — у неё огромное сопротивление, именно поэтому её используют для изоляции.

Закон Ома

Связь между напряжением, силой тока и сопротивлением описывает закон Ома: сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению. Формула выглядит так: I = U / R, где I — сила тока, U — напряжение, R — сопротивление.

Разберём на понятном примере. Представьте, что вы подключили к розетке обогреватель. В розетке напряжение всегда примерно одинаковое — 220 вольт. Почему же разные приборы потребляют разный ток? Всё дело в сопротивлении.

У обогревателя внутри тонкая проволочка, которая специально сделана так, чтобы иметь большое сопротивление. Когда ток идёт по этой проволочке, она нагревается и отдаёт тепло в комнату. Чем больше сопротивление, тем меньше ток — но при этом проволочка рассчитана так, чтобы нагреваться ровно настолько, насколько нужно.

А теперь представьте, что вы взяли обычный медный провод и воткнули его концы прямо в розетку. У меди сопротивление очень маленькое. По закону Ома это значит, что сила тока через провод станет огромной. Провод мгновенно перегреется, начнёт плавиться, может вспыхнуть пожар или сработает автоматический выключатель. Именно поэтому нельзя просто так замкнуть розетку — ток без нагрузки становится смертельно опасным.

С лампочкой та же история. Внутри лампочки тонкая вольфрамовая нить с большим сопротивлением. Она рассчитана так, чтобы при напряжении 220 вольт через неё шёл ток, который раскаляет нить до свечения, но не пережигает её.

Формула работает и в обратную сторону. Если вы знаете, что лампочка потребляет ток 0,5 ампера при напряжении 220 вольт, можно посчитать её сопротивление: R = U / I = 220 / 0,5 = 440 ом. Именно такое сопротивление у нити накаливания в рабочем состоянии.

Так что закон Ома — это не просто формула, а ключ к пониманию того, почему приборы работают и устроены именно так, а не иначе.

Последовательное и параллельное соединение

В электрических цепях элементы можно соединять по-разному. От этого зависит, как будет течь ток и как поведёт себя цепь, если что-то перегорит.

Последовательное соединение — это когда элементы соединены друг за другом, как вагоны в поезде. Ток идёт через все по очереди. Если перегорит одна лампочка в гирлянде, цепь разрывается, и гаснут все. Общее сопротивление при таком соединении равно сумме сопротивлений всех элементов. Чем больше сопротивлений включено последовательно, тем труднее току течь.

Параллельное соединение — это когда у каждого элемента свой собственный путь. Лампочки в люстре включены именно так. Если одна перегорит, остальные продолжают гореть — ток идёт по другим веткам. Общее сопротивление при параллельном соединении получается меньше, чем сопротивление самого маленького из элементов. Почему? Потому что у тока появляется несколько путей одновременно, ему легче течь. Чем больше параллельных веток, тем меньше общее сопротивление.

Точно так же подключены все розетки в квартире — они соединены параллельно. Поэтому мы можем включить и чайник, и телевизор, и лампу одновременно, и каждый прибор будет работать независимо от других.

Работа и мощность тока

Когда ток идёт по проводнику, он нагревает его. Чем больше ток, тем сильнее нагрев. На этом основаны все нагревательные приборы: утюги, чайники, обогреватели.

Мощность тока показывает, сколько энергии выделяется в цепи за секунду. Она равна произведению напряжения на силу тока: P = U × I. Измеряется мощность в ваттах. Например, если чайник включён в розетку с напряжением 220 вольт и потребляет ток 5 ампер, его мощность будет 220 × 5 = 1100 ватт.

Если включить в одну розетку слишком много мощных приборов, общая сила тока в проводах станет большой. Провода начнут перегреваться, изоляция может оплавиться, и случится пожар. Чтобы этого избежать, устанавливают автоматические выключатели — автоматы. Они разрывают цепь, если ток превышает допустимое значение.

Например, если автомат в квартире рассчитан на 16 ампер, то суммарная мощность всех включённых приборов не должна превышать 220 × 16 ≈ 3500 ватт. Если включить обогреватель (2000 Вт) и чайник (1500 Вт) одновременно, сумма будет 3500 Вт — это предел. А если добавить ещё утюг (1000 Вт), автомат сработает и отключит электричество.

Магниты и магнитное поле

Слово «магнит» родилось из легенды. Согласно одному из преданий, в древности в Греции жил пастух по имени Магнес. Однажды он обнаружил, что железный наконечник его посоха и гвозди в подошвах притягиваются к чёрному камню, на который он сел. Этот камень назвали магнетитом — природным магнитом.

Но откуда у камня такая сила? Всё дело в особом строении вещества. В некоторых материалах, таких как железо, кобальт и никель, атомы сами являются маленькими источниками магнетизма. Они объединяются в целые области, которые называются доменами. Внутри каждого домена все атомные магнитики уже направлены одинаково. Но в обычном куске железа эти домены повёрнуты хаотично, и их действие взаимно гасится.

Чтобы получить постоянный магнит, нужно заставить домены повернуться в одну сторону. Это делают с помощью сильного внешнего магнитного поля. Под его действием границы доменов смещаются, и те домены, которые были направлены «не туда», либо поворачиваются, либо поглощаются соседними. После того как внешнее поле убирают, многие домены остаются в новом положении — особенно если материал обладает высокой коэрцитивной силой, то есть способностью сохранять намагниченность. Так кусок железа или специального сплава становится постоянным магнитом.

У любого магнита есть два полюса: северный и южный. С ними работает то же правило, что и с электрическими зарядами: разноимённые притягиваются, а одноимённые отталкиваются.

Земля тоже огромный магнит. Её магнитное поле создаётся движением расплавленного железа в ядре планеты. Именно поэтому стрелка компаса всегда показывает на север — её северный полюс притягивается к южному магнитному полюсу Земли.

Магнитное поле возникает не только у постоянных магнитов, но и вокруг любого проводника с током. Если свернуть провод в катушку, внутри неё поле усилится. А если поместить внутрь железный сердечник, получится электромагнит. Такие электромагниты используются в подъёмных кранах для металлолома: включаешь ток — магнит поднимает тонны металла, выключаешь — груз падает.

Электромагнитная индукция

В 1831 году английский учёный Майкл Фарадей сделал важное открытие. Он обнаружил, что если вдвигать магнит в катушку из проволоки, в ней возникает электрический ток. Как только магнит останавливается, ток исчезает. Если вытаскивать магнит обратно, ток снова появляется, но течёт уже в другую сторону. Это явление назвали электромагнитной индукцией.

Главный вывод Фарадея: ток возникает только тогда, когда магнитное поле меняется. Неважно, движется магнит или катушка — важно, чтобы поле внутри катушки изменялось. Чем быстрее меняется поле, тем больше ток.

На этом принципе работают все генераторы на электростанциях. Внутри генератора вращается ротор с магнитами или электромагнитами, и в неподвижных обмотках вокруг него возникает ток. Механическую энергию вращения можно получить от воды, пара или ветра, а на выходе — электричество.

Тот же принцип используют в беспроводной зарядке телефонов. Внутри зарядной станции есть катушка, в которой создаётся переменное магнитное поле. В телефоне — вторая катушка, в которой это поле создаёт ток и заряжает аккумулятор.

Электромагнитная индукция — это мост между механикой и электричеством. Именно она позволяет превращать движение в ток, а ток — в движение.

Электродвигатель

Представьте обычную прямоугольную рамку, скрученную из медной проволоки. Если подвесить её между двумя магнитами и подключить к батарейке, рамка тут же начнёт поворачиваться. Почему это происходит?

В физике есть закон: магнитное поле всегда выталкивает проводник, по которому течёт электричество. В нашей рамке ток бежит по кругу: по левой стороне он поднимается вверх, а по правой — спускается вниз. Магнитное поле реагирует на это и толкает левую и правую стороны проволоки в противоположные направления. Одну сторону оно тянет на себя, а другую отталкивает. В результате рамка разворачивается. На этом простом эффекте и основана работа любого электродвигателя.

Чтобы рамка не просто сделала полуоборот и замерла, а крутилась непрерывно, нужно в правильный момент менять направление тока в проволоке. Для этого на вал двигателя ставят специальный механический переключатель — коллектор. Как только рамка доходит до крайней точки, коллектор мгновенно перебрасывает контакты «плюса» и «минуса». Ток меняет направление, магниты снова толкают рамку, и она продолжает вращаться. В современных мощных двигателях вместо рамки используют большую катушку из сотен витков провода, но принцип остаётся тем же.