Урок естествознания 3

Придя с похорон любимого учителя по естествознанию, усталый, огорчённый и душевно измученный четвероклассник Эспри сразу лёг в постель и заснул.
И снится ему странный сон.
Дух Учителя спустился к нему с неба и они вновь, как в недавнем прошлом, беседуют на тему, столь взволновавшую обоих.
Вы, – сказал Эспри Учителю, – упомянули газы и их сжатие, которое, как вы сказали, резко отличается от «сжатия воды». Расскажите, пожалуйста, подробней об этом.
Учитель с явным удовольствием: Подожди, Эспри, я сейчас схожу в кабинет и принесу нечто, чтобы показать тебе интересный опыт. Через минуту учитель вернулся, держа в руках стеклянный цилиндр на широкой подставке, и снабжённый  поршнем, ватку и бутылочку с какой-то жидкостью.
Посмотри, Эспри, что я делаю: Смачиваю ватку эфиром из бутылочки, быстро закладываю её в толстостенный цилиндр  и закрываю поршнем.
А теперь, посмоти, что будет, если я сильно ударю по поршню рукой.
Учитель ударил по поршню, Эспри увидел вспышку внутри цилиндра и дым, заполнивший весь цилиндр, поскольку поршень сам снова поднялся.
Учител открыл цилиндр. Ватки там не было!!!
Что произошло? Когда я ударил по поршню, он с силой опустился и сжал воздух с парами эфира.
От быстрого сжатия воздух нагрелся до такой степени, что воспламенил эфир и ватка сгорела вместе с эфиром!
Так работает двигатель Дизеля. Там тоже воздух быстро сжимается поршнем и разогревается до высокой температуры в результате сжатия,  в этот момент насос высокого давления впрыскивает в цилиндр порцию топлива, которое от нагрева сгорает и высокая температура от сгорания плюс газы от сгоревшего топлива, толкают поршень обратно. Это и есть рабочий ход двигателя.
Понял, Эспри?
Да, Учитель, всё ясно в ваших объяснениях!
Значит всё же сжатием МОЖНО СОГРЕТЬ вещество?
Да, Эспри, но только газы! Так как они сжимаются относительно легко. А воду сжать практически невозможно!
Учитель, а можно вот это сжатие тоже рассмотреть с точки зрения молекулярно-кинетической теории?
Конечно! Не только МОЖНО, но только так и следует делать!
А  почему газ нагрелся?
Видишь ли, Эспри, ты заметил, что я не двигал поршень рукой, а ударил по нему?
Да!
И что произошло при этом ударе?
Поршень, я думаю, так как увидеть не успел, резко двинулся вниз, сжимая воздух и пары эфира.
Правильно!
Какая длина цилиндра? Давай измерим линейкой. 12 сантиметров! Диаметр – два сантиметра. Поршень двинулся вниз очень быстро. Скажем, за одну десятую секунды он прошёл почти все 12 сантиметров. Значит он двигался со скоростью 1, 2 метра в секунду. Если же предположить, что удар длился ещё меньше времени, допустим пять сотых секунды, это значит, что поршень двигался со скоростью 6 метров в секунду, а если время было – одна сотая секунды, то 12 метров в секунду!
Согласен, Эспри?
Да, полностью. Но почему...
Сейчас отвечу на твой вопрос. Что такое тепло? Это движение, беспорядочное, хаотическое, молекул. Чем быстрее они движутся, тем, мы говорим, выше температура. Молекулы воздуха под поршнем всё время летали со скоростью, соответствующей температуре воздуха в нашей комнате. Но, когда поршень стал быстро двигаться им навстречу, они, сталкиваясь с быстро движущейся поверхностью, отскакивали от неё уже с добавочной скоростью! А добавочная скорость и есть добавочная температура! Так поршень разогрел воздух под ним!

Так же сгорают и метеоры в атмосфере. Они влетают в неё с огромными скоростями, молекулы воздуха с большой силой ударяют по веществу метеора и тем разогревают камень и метал до многих тысяч градусов. Метеор сгорает!

Да, учитель, всё понятно, спасибо! Но почему тогда молекулы воды, тоже ударяющие по стенкам цилиндра «с большой силой», из-за давления, не разогревают воду и сам цилиндр?
Эспри, оставь эту тему. Мы уже обговорили её на предыдущем уроке!
Есть ещё вопросы?
Да, если позволите...
Позволяю!
Вы сказали, что поршень, быстро двигаясь вниз, ускорил движение молекул просто за счёт его движения вниз? Его поверхность толкала молекулы быстрей? Правильно?
Да!
А если бы цилиндр был снизу открыт, без дна, из него бы вылетела струя разогретого до точки зажигания эфира воздуха???
Учитель задумался...
Думаю, что нет,  --сказал он без былого энтузиазма. -- Главное всё же сжатие?
Но при чём здесь сжатие, – спросил Эспри,  – если газ нагревался только за счёт быстрого движения поршня?
Видишь ли, Эспри, если бы я медленно сдвигал поршень вниз, газ бы НЕ РАЗОГРЕЛСЯ. Быстрота сделала этот процесс «АДИАБАТИЧЕСКИМ», то есть без обмена энергией с окружающей средой! А медленно вдвигая поршень я бы не согрел так воздуха.
Даже, если бы дно было закрыто?
Конечно, иначе вообще никакого заметного разогрева не было бы!
У меня всё в голове теперь перепуталось, хотя вначале было всё вроде бы ясным, -- сказал Эспри. Так, что же разогрело воздух? Быстрое движение поршня или сжатие?
И то и другое.
Но ведь вы сказали, что, если бы дно было открыто, воздух бы не нагрелся. А про метеоры получается наоборот?
Ведь быстро двигающийся поршень – это как бы метеор в миниатюре? Так почему не вылетит струя горячего воздуха...?
А, – вдруг сказал Эспри, не дав учителю ответить, – понял! Всё дело в скорости! Метеоры летят со скоростью, читал в альманахе «Хочу всё знать», со скоростями десятки километров в секунду!
А поршень всего 12 метров в секунду -- разница в тысячи раз!
Верно, Эспри, – сказал довольный Учитель. – разница в скоростях огромная.
А молекулы воздуха, сами по себе, с какой скоростью они летают? – Спросил Эспри.
Это, как я уже говорил, зависит от температуры. При комнатной – их скорость …  Дай-ка посмотрю в справичнике...
Учитель вытащил тяжеленный том «Физические величины» и стал искать...
Странно, НЕТ такого раздела?
Посмотрю-ка я в ФЭСе– Физическом Энциклопедическом Словаре.
Так, «молекулы» – нет скоростей.
«Газы» – не указана скорость!
Странно!
Кинетическая теория газов?
Нет опять скоростей!
Ван-дер Ваальса теория межмолекулярных взаимодействий?
Кривая есть, скоростей молекул нет!
Ладно, вспомню...
Кажется, несколько сотен матров в секунду при нормальных давлениях итемпературах.
Вспомнил: 450м/с для азота, 425м/с для кислорода.
Но, Учитель, -- задумчиво произнёс Эспри, – тогда приращение скорости поршня в 12 м/с при одной сотой секунды удара, это же страшно мало, мне кажется, для разогрева воздуха до относительно высокой температуры???
(Этот «дефективный» из школы умственно отсталых соображает получше аспирантов физиков, – со смешанными чувствами подумал Учитель)
Да, Эспри, действительно, странно. Но это объяснение я вычитал в учебнике и, кажется, даже в ВУЗовском!
Учитель, а может быть всё же главное, это именно сжатие воздуха? А не скорость поршня?
Вы, Учитель, сами сказали, что быстро двигали поршень для того, чтобы процесс нагрева был «адиабатическим», то есть, чтобы воздух не успел охладиться. Значит, если бы мы в идеале, сделали бы процесс сжатия без утечки тепла, то, может быть, даже очень медленное сжатие привело к такому же разогреву воздуха, С полной тепловой изоляцией!
Ннне знаю, – с сомнением сказал Учитель, – возможно ты прав. Но как в реальности сделать полную термоизоляцию???
Так, я говорю об ИДЕАЛЬНОМ, воображаемом опыте.
Пока я думал, учитель, над этими вопросами, я подумал, что раз сжатие, значит молекулы газа сближаются и, в отличие от вода, сближаются сильно. Они ведь сжимаемы?
Да, верно!
Значит между ними тоже усиливаются взаимные силы отталкивания. Значит, по второму закону Ньютона, они приобретают, из-за больших сил отталкивания, и гораздо бОльшие скорости. Вот и разогрев, без всяких скоростей поршня. Ведь силы растут быстро, может быть не так, как в воде, но всё же...
Ну, допустим, ты прав, Эспри. Так что дальше?
Я теперь опять думаю о давлении. Сжали газ вдвое, то есть уменьшили его объём в два раза. Количество молекул в меньшем объёме осталось то же. расстояние между ними уменьшилось примерно в двое, а плотность их возросла вдвое. Значит на единицу площади стенки цилиндра будет приходиться вдвое больше молекул и они будут бить вдвое сильней? Ведь давление – это суммарное действие ударов молекул. Значит давление возрастёт вдвое.
Эспри, это относится к так называемым «идеальным», а не реальным газам.
Но в целом, неточно, верно?
Да, с определённой ошибкой, верно,
Но тут возникает парадокс, – сказал Эспри.
Молекул стало вдвое больше из-за сжатия, и суммарная сила их ударов об единицу площади стенки сосуда стало тоже вдвое больше. Но, из-за повышения их плотности, расстояние между ними уменьшилось, и значит это расстояние будет, при той же скорости движения молекул, преодолеваться БЫСТРЕЙ, То есть частота ударов возрастёт дополнительно ещё, допустим, вдвое, ибо молекулы будут быстрее возвращаться к стенкам после соударений с другими, «сзади» находившимися  молекулами. Но это должно привести к росту давления не в два, а примерно в четыре раза! А сжатие пока только двойное!
Теперь, если учесть повышение скорости молекул (нагрев при сжатии), это ещё больше увеличит давление на стенки, так как –  больше молекул с большими скоростями и чаще возвращаясь будут бить по единице площади!
Но на практике, насколько я знаю и понимаю, давление не подпрыгнет в восемь или больше раз, а только в два раза!
Не вытекает ли из последних рассуждений, что молекулярно-кинетическая теория вообще неверна???
Эспри,-- cказал Учитель, – это безумие! Теория просуществоавла около двухсот лет и доказала себя в миллионах опытов и практических применений.
Но, может быть, ИХ ТОЛКОВАЛИ НЕВЕРНО? – Испуганно произнёс Эспри.
Эспри, прощайте, мне пора на небо! – Сказал Учитель, взмахивая внезапно появившимися крыльями.  – Встретимся уже ТАМ! Позже!
И Эспри в слезах проснулся...
17 V 2019