«Самое удивительное свойство жизни – её способность двигаться вверх против течения времени. Жизнь находится в парадоксальном противоречии со вторым законом термодинамики, согласно которому всё стремилось, стремится и будет стремиться вниз, к состоянию равновесия и смерти. Несмотря на это, жизнь эволюционирует в более сложные формы, однако с точки зрения физики: Жизнь просто невозможна. Быть может мы действительно ошибаемся в некоторых вопросах и всё же есть тот, кто стоит за всем этим великолепием?»
– Эрвин Шрёдингер, лауреат Нобелевской премии по физике 1933 г.
Тепло - это движение молекул и атомов. Чем больше они прыгают и толкаются, тем горячее предмет. Когда мы нагреваем чайник, мы просто заставляем его молекулы двигаться быстрее. А температура — это всего лишь показатель средней скорости их движения.
Давайте разберемся, как эта работает тепло и почему оно постоянно теряется.
Куда уходит тепло? Или три пути побега тепла.
Тепло всегда стремится перейти от горячего к холодному, пока температуры не сравняются. Сделать это оно может тремя способами.
Теплопроводность: потеря за счёт предмета.
Это прямой перенос тепла при контакте. Представьте ряд шариков, плотно стоящих в линию. Если вы толкнете первый, он толкнет второй, тот — третий и так далее. Тепло передается по цепочке от горячего конца к холодному.
- Пример: Ложка в горячем чае нагревается. Металл имеет высокую теплопроводность — он отлично передает тепло. Так опущенная в чай ложка нагревается даже там где она выглядывает из чая. А деревянная ложка имеет низкую теплопроводность за счёт того, что она недостаточно плотная, так тепло не может достичь верха ложки теряясь через конвенцию.
Конвекция: потеря за счёт пространства.
Когда жидкость или газ нагреваются, они становятся легче и поднимаются вверх, а их место занимают холодные слои. Так возникает круговорот при котором тепло распределяется в пространстве.
- Пример: Батарея греет воздух в комнате. Горячий воздух поднимается к потолку, холодный опускается к полу, и цикл повторяется. Так же нагревается вода в кастрюле.
Тепло это движение и столкновения атомов, так уходя в большее пространство или предмет - тепла становится меньше из-за того что атомы сталкиваются реже, уходя же в малое пространство или предмет тепла останется больше за счёт того что атомы могут продолжать сталкиваться.
Излучение: потеря за счёт времени.
Сталкивающиеся атомы с каждым столкновением отдают свою энергию. Можно назвать это испускаемой аурой.
Любой горячий объект испускает невидимые инфракрасные лучи (как маленькое солнце). Эти лучи летят по воздуху и могут нагреть другой предмет, даже не касаясь его. Воздух для них прозрачен.
- Пример: Вы чувствуете тепло у костра, даже если ветер дует в другую сторону. Это и есть излучение.
2. Как термос удерживает тепло и почему невозможен идеальный термос?
Термос — это гениальная инженерная ловушка, которая блокирует все три пути утечки тепла.
Вакуум против теплопроводности и конвекции. Стенки термоса — это две колбы (внутренняя и внешняя), между которыми вакуум. Нет воздуха, которой мог бы переносить тепло. Это убивает сразу два пути: теплопроводность (нет предмета на который тепло бы могло перебегать. Так оно бежит по стенкам сосуда, упирается в крышку и бежит обратно.) и конвекцию (поскольку воздух ограничен лишь тем что находится в самой колбе, потери этим путём минимальны).
- Зеркальное покрытие против излучения. Внутренние стенки колбы покрыты зеркальным слоем. Он как зеркало отражает инфракрасные лучи (тепловое излучение), тем самым закупоривая теплоотдачу.
- Пробка — последний барьер. Пробка сделана из материала с очень низкой теплопроводностью (как деревянная ручка у кастрюли), чтобы тепло не уходило через горлышко.
Вот и весь секрет! Термос не сохраняет тепло вечно, а сильно замедляет его потерю.
Если тепло зависит от движения молекул то почему термос может сохранять тепло так долго? Молекулы ведь при движении должны терять силу?
Молекулы горячего чая внутри термоса действительно двигаются, сталкиваются и пытаются отдать свою энергию. Но в термосе они сталкиваются преимущественно друг с другом, и энергия в основном остается внутри системы, а не уходит в окружающую среду. Именно это и позволяет сохранять тепло так долго. Таким образом, энергия движения молекул остается в ловушке внутри сосуда. Она может перераспределяться между молекулами (одни замедлятся, другие ускорятся), но суммарная энергия системы (тепло) будет убывать медленно, через неидеальные места конструкции (горлышко, механические крепления колб).
Термос не останавливает движение молекул. Он создает для них почти идеальный изолятор, который блокирует все основные пути утечки их энергии наружу.
Идеальный термос - путь к бессмертию.
Связь между созданием идеального термоса и бессмертием на первый взгляд кажется фантастической, но она основана на фундаментальных законах физики и одной из главных проблем будущего. Идеальный термос — это сосуд с идеальной теплоизоляцией. Внутри него не происходит никакого теплообмена с внешней средой. Горячее остается горячим вечно, холодное — холодным. С точки зрения физики, это означает создание полной изоляции.
Живой организм, включая человеческое тело с самого рождения и до смерти постоянно стареет - или теряет тепло. По сути двигаясь к термодинамическому равновесию, то есть к хаосу и распаду.
Открытие идеального термоса - означало бы также создание криокапсулы - которая в свою очередь помогла бы останавливать старение у живого организма. Сегодня процесс разложения можно остановить благодаря заморозке, однако такой метод по сути является мгновенным устранением тепла - основы жизни. Криокапсула бы могла не просто заморозить объект, но сохранить жизненную энергию так, чтобы после разморозки она продолжала движение.
Так для человека который бы использовал криокапсулу это означало бы длинный сон, хотя впрочем сможет ли сознание работать в криокапсуле или тоже будет останавливаться - это уже вопрос который заглядывает в будущее к которому мы пока даже не знаем как приблизиться.
Благодарю за прочтение!