ОТВЕТ • Молекулы резины, из которой сделана аптечная резинка, представляют собой длинные цепочки, изогнутые и перепутанные, как спагетти на тарелке. Когда резинку растягивают, эти молекулы распрямляются, а часть работы, затраченной на растяжение, переходит в тепловое движение молекул. Тепло, которое вы ощущаете на губах, обязано более интенсивному тепловому движению этих молекул. Если резинка сжимается, работу совершают молекулы резины: они опять изгибаются и перепутываются. Эта работа совершается за счет энергии теплового движения, а следовательно, чувствуется, что резинка стала холоднее.

Если аптечную резинку нагреть, дополнительная тепловая энергия позволяет молекулам перепутаться еще сильнее, и поэтому резинка укорачивается. Когда она охлаждается, уменьшение тепловой энергии молекул означает, что тесно переплестись они не могут, и поэтому резинка становится длиннее.

Тот факт, что резина сжимается при нагревании и растягивается при охлаждении, можно положить в основу некоего устройства, но, к сожалению, это будет только игрушка. Установим колесо так, чтобы оно вращалось вокруг оси, проходящей через его центр. Вторую ось сместим относительно оси вращения, а круглую резинку, растянув, протянем от второй оси так, чтобы она охватывала колесо по периметру. Теперь опустим колесо в таз с теплой водой на глубину, равную его радиусу. Тепло, полученное от воды, приведет к тому, что погруженный в воду кусок резинки сожмется, и колесо медленно повернется. Когда резинка окажется над водой, сжатый участок охладится и удлинится, а оказавшись опять под водой, сожмется, и колесо вновь провернется.

Фён — это теплый сухой ветер, дующий с гор в долины. Впервые на такой ветер обратили внимание в Альпах, где неожиданный фён может привести к очень быстрому таянию и испарению снежных сугробов. В Соединенных Штатах подобный ветер называют шинук (по самоназванию группы индейских племен). Шинук возникает на восточных склонах Скалистых гор. Один из впечатляющих примеров: вблизи города Хавр в Монтане шинук за три минуты привел к повышению температуры с –12 до +6°C. Что же вызывает фён или шинук?

ОТВЕТ • Появление таких ветров обусловлено многими причинами. И не все они до конца понятны, но кое-что уже известно достоверно. Рассмотрим шинук. Воздух с Тихого океана, двигающийся к Скалистым горам, а затем вверх по наветренной стороне Скалистых гор, высыхает: большая часть содержащегося в нем водяного пара конденсируется. Переход пара в жидкость сопровождается выделением энергии, так что воздух становится теплее, чем если бы такого перехода не было. Когда, перевалив через Скалистые горы, воздух спускается в долины с подветренных склонов, он нагревается еще сильнее, поскольку при его движении давление постепенно возрастает. (Подобный эффект можно заметить, накачивая шины велосипеда.) Поэтому, достигнув основания Скалистых гор, воздух оказывается теплым и относительно сухим, что может вызвать быстрое таяние и даже испарение снега.

Один исследователь описывал, как из холодной долины он на машине заехал туда, где дул шинук и воздух был пропитан влагой от испарившегося снега. За несколько секунд его холодное ветровое стекло покрылось инеем. Если бы он ехал с той же скоростью, что и на шоссе, внезапная потеря видимости могла привести к тяжелым последствиям.

Испытание кипящей водой — одно из «чудес», которое демонстрируют японские синтоисты. Исполнитель опускает две связки бамбуковых веток в кипящую воду, затем резко вытаскивает их, разбрызгивая кипящую воду на себя и на костер под сосудом с кипящей водой. Когда вода достигает костра, оттуда поднимаются клубы пара, но исполнитель остается целым и невредимым. Почему кипящая вода его не обжигает?

ОТВЕТ • Подброшенная в воздух вода распадается на множество мелких капель. Эти капли тут же остывают, поскольку запасенное ими количество тепла невелико и они быстро передают его на свою поверхность, а затем — окружающему воздуху. Когда капли попадают на исполнителя фокуса, они могут быть еще горячими, но не обжигающими. Если бы то же самое количество воды опускалось по воздуху как одна большая капля, вода отдала бы воздуху меньшее количество тепла, поскольку площадь поверхности такой большой капли меньше суммарной площади маленьких капель. Это значит, что при попадании на кожу большая капля была бы горячее и вполне могла бы обжечь. Конечно, если бы исполнитель просто лил на себя кипящую воду, она, скорее всего, совсем не успевала бы остыть и, попав на кожу, уж точно обожгла бы его.

Представьте, что холодным зимним днем после катания на лыжах вы вернулись в нетопленный дом. Прежде всего вы подумаете о том, что надо растопить печку. Но ради чего вы это делаете? Должна ли за счет этого повыситься внутренняя (тепловая) энергия воздуха в помещении до уровня, при котором вы почувствуете себя комфортно? Это предположение представляется логически обоснованным, но оно ошибочно: печка не меняет внутреннюю энергию воздуха. Как такое может быть? И если так, зачем надо топить печку?

ОТВЕТ • Воздух проникает в любую комнату. Когда после включения отопления температура воздуха поднимается, молекулы воздуха выходят из помещения через всевозможные отверстия, поддерживая давление в комнате равным наружному атмосферному давлению. Хотя кинетическая энергия отдельных молекул повышается, полная кинетическая энергия воздуха в комнате не увеличивается, поскольку молекул в комнате остается меньше.

Почему же, включив отопление, то есть повысив температуру в комнате, мы чувствуем себя комфортнее? Человек мерзнет, поскольку испускает инфракрасное излучение и обменивается энергией с молекулами воздуха, ударяющимися о его тело. Когда вы включаете отопление, увеличивается количество поглощаемого вами излучения, исходящего от нагревшихся поверхностей (стен, потолка, пола, мебели), восполняя ваши потери энергии на инфракрасное излучение. Кроме того, увеличивается кинетическая энергия молекул воздуха, ударяющихся о ваше тело, и, следовательно, увеличивается приобретаемая вами в результате этих столкновений энергия.

До изобретения холодильников люди в странах с холодным климатом сохраняли в ледниках зимний лед, чтобы использовать его летом. Одним из условий создания хорошего ледника была его правильная ориентация. Говорят, что ледник должен смотреть на восток, чтобы вскоре после восхода солнца на него падал солнечный свет. Не кажется ли вам, что это неправильно, ведь прямые солнечные лучи должны повысить температуру внутри ледника и растопить лед?

ОТВЕТ • Ориентацию ледника выбирали так, чтобы избежать (или, по крайней мере, уменьшить) конденсацию в нем влажного воздуха. Процесс конденсации — переход воды в жидкое состояние — сопровождается выделением большого количества тепла. Это тепло передается льду и ускоряет его таяние.

Поэтому ледник строили так, чтобы солнечный свет проникал внутрь него на заре, нагревал внутри воздух, уменьшая тем самым возможность конденсации. Ночью конденсация тоже угрожает льду, но солнце ночью не светит, поэтому наилучшим решением было использование утреннего солнечного света.