2. Всем известно, что чем больше мы откроем кран газового баллона или плиты, тем быстрее вскипит чайник. Этот простой факт имеет яс­ное физическое объяснение. Скорость нагрева чайника пропорциональна количеству теплоты, выделяемому газовой горелкой за 1с, а тепло зависит от расхода газа. Итак, горит газ, выде­ляется тепло, кипит и бурлит вода в чайнике. Все совершенно понятно. Но вот вы выключа­ете газ. И вместо того чтобы кипение прекра­тилось, оно вдруг усиливается. Увеличивается также и количество пара. Не опровергается ли тем самым закон сохранения энергии? Как это можно объяснить?

3. Для обогрева помещений издревле пользовались печами. Массивная русская печь с лежанкой обычно устанавливалась в центре избы. Доста­точно один раз протопить ее, чтобы потом в течение всего дня в комнате было тепло, не­смотря на лютые морозы. Печь устанавлива­лась посреди избы не случайно. Тем самым обеспечивался интенсивный теплообмен между нагретой печью и воздухом в комнате, с кото­рым печь соприкасается всеми своими сторона­ми, а большое расстояние от стен позволяет печи сохранить свое тепло в течение длитель­ного времени. Голландские и другие печи так­же устанавливаются подальше от наружных стен и окон.

Но вот на смену печам пришли батареи цент­рального отопления. Их устанавливают в самом «неподходящем» месте — под окнами. В этом случае только одна сторона батарей может отда­вать тепло комнате, другая же бесполезно нагре­вает наружную стену дома, откуда тепло уходит наружу. Чем же вызвана такая непростительная расточительность? В чем здесь дело?

4. При нагревании металлического кольца его тол­щина увеличивается. Как при этом изменяется внутренний диаметр кольца?

5. Почему жидкий азот можно лить на руку, не боясь ожога?

6. Если стакан на 2/3 наполнить водой и бросить в него кусочек «сухого льда», лед начнет бурно превращаться в газ. Клубы «пара» окутают ста­кан. Проведя рукой через пар, вы убедитесь, что пар может быть не только горячим, но и холод­ным. Кстати, настоящий пар при кипении воды не виден. То, что мы обычно видим, — это ту­ман, т. е. сконденсировавшиеся в холодном воз­духе частицы воды. При испарении «сухого льда» происходит несколько другое явление. Назовите, какое именно?

7. Для того чтобы мазь, которой смазывают лыж­ные ботинки, лучше впитывалась, ботинки на­гревают. Как надо их нагревать: снаружи или изнутри?

8. Вода замерзает в стакане при 0°С. Если ту же воду расщепить на маленькие капельки, то она может быть переохлаждена до -40 °С. Например, капельки воды, из которой состоят облака, обыч­но начинают замерзать при температуре -17 °С. Как объяснить это явление?

9. Вам много раз приходилось доливать воду в го­рячий чайник. Почему из него идет обжигающая струя горячего пара, если вы доливаете воду из-под крана? Почему пар почти не выходит, если лить в чайник воду из кружки?

10. Хочется чая, а самовар не кипит. Нет-нет, да кто-нибудь постучит палкой по самовару. И, на­конец, долгожданное: «Теперь уж скоро!» Как по звуку удара можно определить, когда закипит самовар?

11. Перед тем как взлететь, ночная бабочка доволь­но долго подрагивает крылышками. Почему?

12. Поистине неизгладимое впечатление оставляет у каждого посещение подземных пещер-залов, ук­рашенных сталагмитами и сталактитами. Подни­мающиеся со дна или свешивающиеся с потолка кристаллические сосульки, возраст которых ис­числяется сотнями тысяч и миллионов лет, иг­рают всеми цветами радуги и создают сказочную картину волшебного царства.

Не менее красочными, хотя и созданными в течение всего лишь нескольких суток, являются ледяные сосульки. Ранней весной часто можно видеть свисающий с края крыши частокол ледя­ных сталактитов.

Как происходит процесс образования ледяных сосулек?

Почему ледяная сосулька имеет вид заострен­ного книзу конуса?

Почему конусы бывают различной длины?

Почему некоторые из них изогнуты?

Почему длинная сосулька прозрачна, а снег не прозрачен, хотя он тоже состоит из отдельных прозрачных кристалликов?

13. На дачном участке летом стояла палатка. Когда начались морозы, палатку сняли, а участок ре­шили перекопать. Оказалось, что сухая земля непосредственно под палаткой успела промерз­нуть сильнее, чем окружающая влажная земля. Как это объяснить?

14. Предшественница электрической лампочки — керосиновая лампа — временами коптила, поэто­му над ней на потолке образовывалось черное пятно. Но и над светильниками с электрически­ми лампочками иногда возникает черное пятно на потолке. Неужели электрические лампы коп­тят?

15. Если неплотно закрыто окно, то из щели сильно дует. Однако зимой мы чувствуем, как дует от окна, рама которого закрыта так плотно, что на­ружный воздух не может проходить сквозь щели. Почему же дует от закрытого окна?

16. Простейший парник — это плотно сколоченный ящик, в который насыпана земля. Одна сторона ящика застеклена. Солнечные лучи одинаково нагревают парник и окружающую его землю. Однако температура в парнике будет значитель­но выше, чем температура вне его. Откуда же берется дополнительное тепло?

17. Что охлаждается быстрее: ванна, наполненная горячей водой, или стакан с горячим чаем? Объяс­ните свой ответ.

18. Может ли нам казаться теплее в сырую погоду, чем в сухую (при той же температуре воздуха)?

19. Если налить в хорошо вымытую тарелку чистой воды (если нет дистиллированной, пойдет и тща­тельно прокипяченная) и набросать на ее поверх­ность несколько спичек, а затем коснуться воды в промежутке между спичками кусочком сахара, то спички, словно желая полакомиться сладким, подплывают к сахару поближе. Но стоит кос­нуться воды мылом, как спички стремительно разбегаются от него во все стороны. Как объяс­нить столь «разумное» поведение неодушевлен­ных предметов?

20. В трудных условиях приходится работать стале­варам, имеющим дело с расплавленным метал­лом. Его горячее дыхание буквально обжигает человека. Казалось бы, что для облегчения усло­вий труда костюмы должны изготавливаться из материалов с низкой теплопроводностью. Между тем на самом деле спецодежда металлургов час­то покрывается тонким слоем металла — вели­колепного проводника тепла. С какой целью так поступают?

21. Почему сахар и другие пористые продукты нельзя хранить вблизи пахучих веществ?

22. На коробке лежит папироса. Она дымится с обо­их концов. Но дым, выходящий через мундш­тук, опускается вниз, между тем как с другой стороны он вьется вверх. Почему? Ведь, каза­лось бы, с обеих сторон выделяется один и тот же дым.

ОТВЕТЫ

1. Строго говоря, стекло — не твердое тело, а жид­кость. Атомы в нем, как и в жидкости, не упо­рядочены и могут перемещаться. Стоя вертикаль­но не один век, стекло очень медленно стекает вниз.

Текучесть стекла проявляется и в таком опы­те: прислоните на длительное время к стене длинные стеклянные палочки или трубки — через некоторое время они прогнутся.

2. Температура кипения зависит от давления. Чем больше давление над жидкостью, тем выше тем­пература ее кипения. Герметически закупори­вая сосуд с водой и нагревая его, можно дове­сти температуру воды до 100 и более градусов, а она все еще будет кипеть. Чайник на плите закрыт крышкой, и выход пара из него затруд­нен. Поэтому под крышкой устанавливается по­вышенное давление. Когда выключаем газ, нагрев прекращается, пар выходит и давление падает, при этом оказывается, что вода в чай­нике нагрета до температуры, превосходящей температуру кипения при атмосферном давле­нии, и чайник резко вскипает. Кроме того, пар> выделяющийся из чайника, виден лучше, так

как воздух вокруг чайника становится холод­нее (раньше он подогревался паром) и большая часть пара конденсируется вблизи носика чай­ника, давая тот белый туман, который мы обычно зовем паром.

3. Печь кроме тепла, которое она передает окружа­ющему воздуху, еще и излучает тепло, причем тем больше, чем выше ее температура. Батареи же с их сравнительно невысокой температурой не передают тепла излучением, и отопление по­мещений происходит главным образом за счет подогрева воздуха. Эту свою функцию они лучше всего выполняют под окнами. Холодный воздух, проходящий в комнату через окно, опускается вниз и сразу встречает нагретые батареи. Прохо­дя через них, воздух нагревается и в комнату поступает уже подогретым. Этим вызвана и спе­цифическая ребристость формы батарей: они должны иметь как можно большую поверхность, чтобы быстрее нагреть проходящий через них воздух.

4. При нагревании однородного тела все линейные размеры его увеличиваются в одном и том же отношении (т. е. получается тело, геометрически подобное первоначальному). Поэтому внутренний диаметр кольца увеличится.

5. Разность температур жидкого азота и руки около 230°С, отчего сравнительно небольшая часть азо­та при попадании на ладонь сразу же испаряет­ся, отобрав лишь немного тепла. При этом меж­ду остальным азотом и рукой образуется простран­ство, плохо проводящее тепло, — газовая подушка. Она и предохраняет руку от резкого переохлаждения — возможной причины ожога. Азот стекает по газовой подушке, не касаясь руки.

6. Выделяющийся здесь углекислый газ не сам кон­денсируется, а конденсирует пары воды, незри­мо присутствующие в воздухе. Холодный газ ок­рашивается в белый цвет, и мы видим клубы «пара», вырывающиеся из стакана. Это напоми­нает явление, происходящее тогда, когда мы дышим на холодное зеркальце. Поверхность зер­кальца становится матовой от осевших на ней мельчайших частиц воды.

В воде испарение твердой углекислоты проис­ходит более энергично потому, что вода лучще проводит тепло, чем воздух.

Понаблюдайте за пузырьками, которые образу­ются в воде около «сухого льда». Создается впе­чатление, что они посеребрены изнутри или на­полнены ртутью.

При определенном угле падения (45° или мень­ше) светового луча на границу между водой и воздухом происходит полное отражение этого луча. Вот почему, если лучи света падают на пузырек воздуха или другого какого-нибудь газа под та­ким углом, свет полностью отражается, как от зеркала.

Эффект полного внутреннего отражения мож­но проследить и на другом опыте. Опустите в стакан с водой металлический шарик, покрытый копотью. Мелкие пузырьки воздуха на саже де­лают поверхность шарика зеркальной.

7. Внутри кожи имеется большое количество ка­пилляров. Капелька смазывающей жидкости внутри капилляра постоянного сечения будет на­ходиться в равновесии. Нагревание жидкости уменьшает поверхностное натяжение, поэтому капелька втягивается в сторону холодной части капилляра. Следовательно, для лучшего проник­новения мази в лыжные ботинки их надо нагре­вать снаружи.

8. Замерзание воды при О °С происходит только при наличии центров кристаллизации. Ими мо­гут служить любые нерастворившиеся части­цы. Когда масса воды велика, в ней всегда найдется хотя бы один центр кристаллизации, а этого уже достаточно, чтобы замерзла вся вода. Если же масса воды разбита на мельчай­шие капли, то лишь небольшое их количество будет иметь центры кристаллизации, и замер­знут только эти капли.

9. Если в чайник лить воду из кружки, то выделя­ется небольшой объем пара, равный объему до­бавленной воды. Когда воду доливают из-под крана, сильная струя воды увлекает за собой наружный воздух. Он омывает горячие стенки чайника и выходит нагретым, увлекая за собой большое количество водяных паров.

10. При ударе по холодному самовару его корпус колеблется с большой частотой — самовар зве­нит. Вода прижимается к кожуху силой атмос­ферного давления и движется вместе с ним. При нагреве давление водяных паров увеличи­вается, а при температуре кипения делается равным атмосферному, поэтому в горячем са­моваре вода прижимается к металлу слабее. Когда стенка самовара движется наружу, вода отрывается. Между стенкой и водой образуется пузырь, наполненный водяным паром. При обратном движении стенки пар конденсирует­ся. Происходит удар стенки самовара о воду. Удар поглощает энергию колебаний. Звук ста­новится глуше.

11. Бабочка «разогревается», подобно спортсмену, делающему разминку перед стартом. Иначе гово­ря, часть совершаемой ею механической работы идет на увеличение внутренней энергии.

12. Для образования ледяного сталактита необходи­мы два условия: температура воздуха должна быть немного ниже 0 °С и должен быть источник те­кущей воды. Вода образуется из снега, лежащего на крыше здания, при освещении его солнечны­ми лучами. Как известно, освещенность поверх­ности зависит от угла падения лучей. При соот­ветствующей высоте Солнца над горизонтом и подходящем наклоне крыши поглощаемой снегом энергии может оказаться достаточно, чтобы снег начал таять. Но поскольку температура воз духа ниже О °С, стекающие маленькие капли воды замерзают, образуя сосульки.

Вначале ледяная сосулька представляет собой цилиндрический столбик, вода медленно стекает по нему и повисает на его конце каплей. По мере роста длины столбика отдельные капли талой воды не успевают с него стекать и замерзают утолщая сталактит в верхней части.

Длина ледяного конуса (при прочих равных условиях) зависит в основном от некоторой опти­мальной скорости протекания воды по нему: как большая, так и малая скорости не способствуют росту ледяной сосульки.

Сосульки могут изгибаться под влиянием вет­ра, конвекционных потоков воздуха и других слу­чайных факторов.

Ледяная сосулька — кристалл, оптически по­чти однородный и потому прозрачный. Снег же имеет поликристаллическую структуру. Вслед­ствие неоднократных отражений и преломлений на гранях отдельных кристалликов снега свет в нем диффузно рассеивается. Поэтому снег непроз­рачен.

13. Почва на участке была влажная, а на том месте, где стояла палатка, — сухая. При замерзании воды в почве выделилось тепло, которое «обогре­вало» влажные участки и замедлило их промер­зание. А сухой участок под палаткой промерз сильнее.

14. Электрическая лампочка нагревает окружающий воздух, возникает конвекционный поток вверх, содержащиеся в воздухе пылинки прилипают к потолку, образуя пятно над лампой.

15. В комнате всегда существуют невидимые для глаза воздушные течения, порождаемые нагрева­нием или охлаждением воздуха. От нагревания воздух расширяется, становится легче, от охлаж­дения, наоборот, уплотняется, становится тяже­лее.

Охлажденный воздух у окна опускается к полу, затем снова нагревается у печки (батареи) и вновь «путешествует» по комнате. Это переме­щение воздуха мы и ощущаем, стоя у окна.

16. Лучи Солнца почти не нагревают атмосферу. Они поглощаются поверхностью земли, а затем земля излучает тепловые невидимые лучи, которые нагревают воздух. Солнечные лучи, проходя че­рез стекло, нагревают землю. Для инфракрас­ных лучей, испускаемых землей, стекло мало­проницаемо. Парник является своего рода ловуш­кой для тепла. Кроме того, стекло препятствует испарению воды из почвы и тем самым задержи­вает теплоту, которая затрачивается на испаре­ние.

17. Сравним два одинаково нагретых кубических предмета. Тепло излучается с каждой из шес­ти граней. А теперь предположим, что мы сдвинули два эти предмета и образовали один предмет большего размера. Теперь две грани, с каждой из которых уходило тепло в воздух, соединены, и тепло с них больше не уходит. Суммарная скорость потери тепла уменьшилась, поэтому скомбинированный предмет охлаждает­ся медленнее.

Как правило, большая масса имеет меньшую поверхность по отношению к величине массы, чем меньшая масса такой же формы. Значит, большая масса горячего вещества остывает не так быстро, как меньшая примерно такой же формы, поэтому стакан с чаем будет остывать быстрее, чем ванна.

18. Испарение воды в сырой пасмурный день умень­шается, так как во влажном воздухе уже есть много молекул воды. В то время как одни мо­лекулы вылетают из жидкости, другие возвра­щаются в нее из воздуха. Возврат молекул, естественно, уменьшает суммарную скорость испарения. В результате в пасмурный день охлаждающий эффект от испарения пота не та­кой сильный. Телу становится теплее, потому что оно теряет меньше тепла за счет испаре­ния.

19. Раствор сахара в воде имеет больший коэффици­ент поверхностного натяжения (большую удель­ную поверхностную энергию), чем чистая вода. Вследствие этого поверхность, занимаемая раство­ром сахара, стремится сократиться, увлекая за собой спички к кусочку сахара. При растворении мыла натяжение воды уменьшается (кстати, с этим и связано моющее действие мыла). Поверх­ность, занятая мыльным раствором, увеличива­ется, и спички уходят вслед за границей с чис­той водой — к краям тарелки.

20. Передача тепла от раскаленного металла к чело­веку происходит главным образом через излуче­ние. Максимум энергии излучения при темпера­туре металла несут инфракрасные лучи, кото­рые, как и вообще электромагнитные волны, очень сильно отражаются металлами. Это и дает ответ на вопрос, зачем металлизируют одежду сталеваров.

21. Молекулы пахучих веществ, распространившись в воздухе вследствие диффузии, под воздействи­ем сил молекулярного притяжения прилипают к поверхности сахара, площадь которой у всех пористых тел очень велика. Сахар приобретает неприятный запах.

22. Да, дым один и тот же, но над тлеющим концом папиросы имеется восходящее течение нагретого воздуха, который и увлекает за собой частицы дыма. Воздух же, проходящий вместе с дымом через мундштук, успевает охладиться и не увле­кается уже вверх, а так как частицы дыма сами по себе тяжелее воздуха, то они и опускаются вниз.