Но поскольку сейчас у меня ощущение, будто весь утренний заряд кортизола испарился за минуту, я все же прибегаю к кофе, чтобы противостоять накатившей на меня усталости.
Если вам сейчас не жарко, налейте себе чашку кофе, чая или другого горячего напитка на выбор, и можете потягивать его, читая следующие страницы. Ведь нет ничего лучше теплого напитка, если хотите увидеть мир, разложенный на молекулы. Когда я ставлю на стол чашку с дымящимся кофе, стол под ней вскоре тоже нагревается. А если немного подождать, кофе остынет. Вы когда-нибудь задавались вопросом, куда вообще уходит тепло?
Так мы вплотную подошли к одной из моих любимых тем: модели частиц. Казалось бы, звучит не очень интересно, но погодитегарантирую, такой взгляд на вещи вас увлечет. Суть модели в том, что любое вещество во Вселенной состоит из частиц. Это могут быть атомы или молекулы. Не обязательно знать, что именно это за частицы. Несмотря на столь упрощенный подход, с помощью этой модели можно частично (ха-ха, вот вам и частицы) описать наш мир, причем сделать это на удивление хорошо. Начнем, например, с моей чашки кофе.
Итак, когда пью кофе, я пью его частицы. Или это могут быть частицы чаявсе зависит от того, какой выбран напиток. Давайте представим себе эти частицы в виде крошечных невидимых шариков. В основном это молекулы воды, немного кофеина (кстати, в чае он тоже содержится) и еще несколько прочих, например ароматических. Все они находятся в постоянном движении. И это можно наблюдать, пусть даже сами молекулы разглядеть невозможно.
Каким образом? Очень просто: налейте в стакан воду из-под крана и добавьте туда две-три капли кофе (нагляднее было бы с чернилами, но сейчас мы о напитках). Даже если вы оставите стакан спокойно стоять на столе, это лишь вопрос времени, когда капля кофе растворится в воде даже без размешивания. Допустим, пока это не то наблюдение, которое могло бы ошеломить. Но только представьте себе, что же там на самом деле происходит! Там же такая сумасшедшая толкотня, просто дым коромыслом стоит, ну чисто безумная вечеринка! На эту невидимую тусовку частиц я и хочу вас пригласить, ведь именно здесь начинается химия.
Кстати, стакан, кофейная чашка, стол, пол, воздух и, разумеется, мы с вамивсе это состоит из частиц. И все они тоже в движении! Ничего даже похожего на состояние покоя практически не существует. Именно в этот конкретный момент повсюдув вашей чашке, под ногами и в телев разгаре безумная вечеринка, мы просто не можем ее видеть.
Тут вы можете резонно заметить: зачем представлять себе мир состоящим из крошечных частиц, если мы все равно их не видим (мало того что это просто круто, ну, по крайней мере, я так считаю). А вот зачем: представляя мир таковым, можно, например, проследить, как возникают разные агрегатные состояния. Состояние веществатвердое, жидкое или газообразное зависит от того, насколько подвижны составляющие его частицы.
Моя кофейная чашка твердая, потому что ее частицы способны двигаться лишь самую малостьмолекулы или атомы твердого тела сохраняют свое положение неизменным благодаря сочетанию температуры и давления. Твердые тела могут иметь кристаллическое и аморфное строение. О химических соединениях мы еще поговорим подробнее, а пока давайте представим себе скопище молекул при помощи такого сравнения: вы на рок-концерте, стоите в толпе людей и едва можете пошевелиться. Но, конечно же, все- таки двигаетесь, насколько это возможно. Примерно то же самое происходит с частицами твердого вещества, например того, из которого сделана ваша кофейная чашка.
В чашке жидкое содержимоекофе; его частицы уже подвижнее, даже если еще сильно между собой взаимодействуют. В примере с концертом жидкое состояниеэто если бы вы находились перед сценой, где все дергаются и прыгают. Но самые необузданные молекулыв газообразном веществе, например во вдыхаемом нами воздухе. Они двигаются без оглядки на соседей. Тут уж концертную площадку пришлось бы увеличивать во много раз, чтобы все зрители могли свободно бегать и кувыркаться, не мешая остальным делать то же самое.
Агрегатное состояние вещества зависит от сочетания температуры и давления. Самый простой и знакомый всем примервода. Если разогреть твердую воду, то есть лед, он растает в жидкость. При дальнейшем нагреве вода обратится в пар, вещество станет газообразным. А при попадании на прохладную поверхность, например на зеркало в ванной комнате, водяной пар конденсируется, то есть снова становится жидким. Если мы продолжим охлаждать воду, она когда-нибудь застынет в лед.
Вам же понятно, к чему я веду? К тому, что у меня припасено для вас нечто, что может вынести мозг: температураэто не что иное, как движение частиц. Чем горячее, тем быстрее; чем медленнее, тем холоднее. Круто же иметь молекулярное определение температуры, верно? Вы не находите, что это занятнее, чем температура на термометре?
Теперь в наблюдении за чашкой с поднимающимся паром можно увидеть гораздо больше смысла: кофе горячий, а значит, молекулы воды двигаются быстро и сталкиваются друг с другом. Те, что испаряются, весьма проворны: им требуется столько места, что, обуреваемые двигательным возбуждением, они покидают чашку и переходят в газообразное состояние.
А как же тепло передается от кофе чашке, а от неекухонному столу? Это происходит из-за столкновений между частицами и вследствие передачи кинетической энергии. Вот как это выглядит: мельтешащие в чашке частицы то и дело наталкиваются на стенки. В свою очередь частицы чашки, двигаясь все быстрее и все сильнее вибрируя, наталкиваются на частицы кухонного стола, раскачивая их. А поскольку тепло всегда передается по направлению к более прохладному месту, стол под чашкой нагревается.
Теперь мы понимаем, почему кофе когда-нибудь остываетименно по той же причине, по которой с течением времени остановится приведенный в движение маятник.
При каждом столкновении частицы взаимно тормозят одна другую, и так до тех пор, пока все не обретут комнатную температуруиными словами, «комнатную скорость».
Все частицы, как и вся Вселенная со всем своим содержимым, подпадают под действие первого закона термодинамики. Его можно соотнести с законом сохранения энергии, который гласит: она не исчезает бесследно и может быть только преобразована. Другими словами, энергия всегда постоянна. Если одна частица получила дополнительную энергию, это значит, что то же количество в каком-то другом месте убыло. Когда частица, столкнувшись с другой, передает ей свою энергию, эта другая частица ускоряется, а отдавшая энергию должна замедлиться. Иначе получалось бы, что энергия возникала бы из ничего, а так не бывает. Согласно законам термодинамики, уничтожить энергию тоже нельзявот почему физики и химики, бывает, негодуют, заслышав расхожую фразу о «растрачивании энергии». (Если среди ваших знакомых есть физики или химики, попробуйте при них употребить это выражение.)
* * *
Прежде чем продолжить рассказ о своем дне, хочу поделиться еще одним умозрительным экспериментом в связи с моделью частиц. Возможно, это самое интересное: где бы вы сейчас ни находились, вам будет казаться, что окружающие предметы на ощупь разной температуры. При этом в закрытом помещении температура у всех предметов однакомнатная. Но почему же тогда металлическая ложка явно холоднее деревянного стола?
Ну да, есть кое-что в этой комнате не комнатной температуры, и это что-товаше тело. У него она выше (во всяком случае я надеюсь, что это так). И то, что вы чувствуете, прикасаясь к ложке или к кухонному столу, не что иное, как тепло вашего собственного тела! Если ваше тепло уходит быстро, предмет кажется холодным на ощупь, а если медленнотеплым.
Когда я беру в руку ложку, частицы моего тела сталкиваются с ее частицами и приводят их в движение. Чем быстрее колеблются атомы металла в ложке, тем теплее она становится. Металлхороший проводник тепла: частицы моего пальца сталкиваются с частицами металла, и это движение распространяется по ложке. Хорошая теплопроводность металла обусловлена особенностями его химических соединений. С ними мы ближе познакомимся в главе 8. А пока представьте себе конструкцию для лазания из канатов, какие бывают на детских площадках. Когда ребенок раскачивается на одном из канатов, это движение быстро передается всей конструкции. Ребенок, находящийся на другой ее стороне, тоже будет раскачиваться. По закону сохранения энергии движение прыгающего ребенка будет одновременно гаситься: передавая свою кинетическую энергию сетке из канатов и другому ребенку, сам он замедляется. Его движение амортизируется. Говоря языком термодинамики, он замедляется, его запас энергии уменьшается, то есть он охлаждается.