Мы дадим вам простой ответ и объяснение на уровне атомов.
Иногда самые обыденные вещи вызывают наибольшее недоумение. Например, что это за странные точки на лобовом стекле? Почему розовая соль дороже обычной? Действительно ли помогает дуть на суп?
И вот еще один вопрос, который, вероятно, мучал вас с шести лет в каждый холодный день: почему металл кажется намного холоднее дерева, по крайней мере, в прохладную погоду? Почему форма для выпечки кажется горячее самого пирога? И как, черт возьми, этот парень держит раскаленный кубик голыми руками?!
Ответ довольно прост, но требует немного нестандартного мышления. Оказывается, вы не такой уж объективный наблюдатель, как думаете.
Почему металл кажется холоднее дерева или пластика?
Представьте, что вы на улице, перед вами дерево и уличный фонарь. Теоретически, их температура должна быть одинаковой, верно? Они оба находятся на улице, в одном и том же месте, ни один из них не достали только что из духовки. И все же мы почти инстинктивно знаем, что фонарный столб будет казаться холоднее на ощупь, чем дерево. Так что же происходит?
Ключ к разгадке — в самой формулировке: кажется холоднее. Но, как ни парадоксально, он не является буквально холоднее.
«Когда вы прикасаетесь к чему-либо, вы на самом деле не чувствуете температуру», — объяснял популяризатор науки и телеведущий Дерек Мюллер в своем видео 2012 года. «Вы чувствуете скорость, с которой тепло отводится от вас или передается вам».
Другими словами: «Всё дело в теплопроводности».
Чтобы проиллюстрировать эту концепцию, он предложил людям сравнить температуру книги и жесткого диска — объектов, которые, как он подтвердил с помощью инфракрасного термометра, имели одинаковую температуру. Как и следовало ожидать, все опрошенные решили, что книга теплее — некоторые даже обвинили его во лжи, когда он раскрыл правду.
Однако наука точна. «Жесткий диск казался холоднее, хотя его температура была примерно такой же, как у книги, — объяснил Мюллер, — и это потому, что алюминий отводит тепло от вашей руки быстрее, чем книга».
«Это заставляет жесткий диск казаться холоднее, а книгу — теплее».
Но вот что неожиданно: то же самое работает и в обратную сторону. Другими словами, если взять два предмета теплее вашего тела, металлический будет казаться горячее, даже если материалы имеют одинаковую температуру.
Это, в общем-то, очевидно, верно? Если вы когда-нибудь пекли торт, например, вы знаете, что форма для выпечки будет «казаться» горячее, чем сам торт внутри — опять же, это потому, что металл гораздо лучше проводит тепло, чем торт, поэтому он передает тепловую энергию вашей руке гораздо эффективнее. Но это может привести к некоторым неожиданным результатам, как показал Мюллер в эксперименте с одной пластиной пластика, одной пластиной алюминия и двумя кубиками льда.
«Я положу кубик льда на обе пластины. Что мы увидим?» — спросил он у добровольцев, которые все до этого сказали, что алюминий кажется холоднее пластика. Неудивительно, что, учитывая это, они предположили, что лед на «более холодном» алюминии останется твердым, а на «более теплой» пластиковой пластине растает.
Вместо этого произошло прямо противоположное.
Почему? «Алюминиевый блок плавит лед быстрее, чем пластиковый, потому что он быстрее проводит тепло к кубику льда», — объяснил Мюллер. «Пластик хуже проводит тепло. Тепло передается к кубику льда медленнее, поэтому он остается холодным».
Почему металл так хорошо проводит тепло?
Итак, мы разобрались, почему металл может казаться намного холоднее или горячее, чем другие материалы с той же температурой — это потому, что они обычно гораздо лучше проводят тепло. Но что именно в металле дает ему это свойство?
Чтобы ответить на эти вопросы, полезно понять, что на самом деле означает «теплопроводность». Видите ли, если посмотреть с достаточно высоким разрешением, тепло — это просто другой способ сказать «движение»: «Когда материал поглощает тепловую энергию, эта энергия преобразуется в кинетическую энергию, заставляя атомы двигаться», — объясняется в одной популярной статье.
«Но поскольку атомы в твердых телах не имеют большого пространства для движения, они начинают вибрировать, и те, которые непосредственно подвергаются воздействию тепла, начинают сталкиваться со своими соседями», — продолжает статья. «Это столкновение возбуждает соседей, и они тоже начинают вибрировать. По мере того, как это происходит и продолжает двигаться от горячей к холодной части материала, тепло начинает двигаться дальше. Это похоже на рябь, которая распространяется от камешка, упавшего на поверхность пруда».
Теперь подумайте об этом немного, и вы начнете понимать, что металл имеет несколько преимуществ перед, скажем, деревом, когда дело доходит до теплопроводности. Атомы и молекулы металла расположены более плотно, чем у дерева, что значительно облегчает столкновение большего количества частиц; в то же время, в древесине буквально есть отверстия — полезные для перемещения воды и питательных веществ от корней, но не очень подходящие для создания непрерывной цепочки колеблющихся молекул.
Тот факт, что древесина является составным материалом, также играет роль в ее низкой проводимости — она состоит из целлюлозы, гемицеллюлозы, лигнина и танина, которые, в свою очередь, распадаются на целый ряд элементов в разных количествах в зависимости от того, из какого дерева она получена. Когда частицы сталкиваются с этими изменениями, они рассеиваются и отклоняются от своего пути — по сути, разбавляя теплопроводность через материал.
Но что действительно дает металлу преимущество перед, скажем, пластиком — материалом, который также может иметь регулярные и плотно упакованные молекулярные структуры и при этом обладать относительно низкой теплопроводностью — это его свободные электроны.
Некоторые электроны в куске металла могут покидать свои атомы и перемещаться по металлу в виде свободных электронов. Части атомов металла, оставшиеся после этого, теперь заряжены положительно и называются ионами металла.
Когда свободные электроны поглощают тепловую энергию, они движутся намного быстрее. По мере движения по металлу свободные электроны сталкиваются с ионами металла. Часть кинетической энергии свободного электрона поглощается ионами, и он вибрирует быстрее и с большей амплитудой.
Чтобы проиллюстрировать это проще, представьте себе толпу людей, едущих в переполненном метро. Они толкаются, конечно, но в целом, чтобы большинство столкнулись друг с другом, потребуется довольно сильный толчок. Эта толпа и есть наши молекулы материала. Теперь представьте, что каждый из пассажиров еще и пытается жонглировать коллекцией шариков для пинг-понга.
Сразу становится ясно, что количество столкновений увеличится — то же самое происходит, когда в систему вводятся свободные электроны.
Итог: теплопроводность в материалах со свободными электронами, то есть в металлах, намного быстрее, чем проводимость, вызванная просто передачей колебаний от атома к атому. Следовательно, проводимость в металлах быстрее, чем в неметаллах.
Короче говоря…
В итоге, почему металлы кажутся холоднее, чем неметаллы? Это потому, что вы на самом деле не чувствуете температуру — скорее, вы чувствуете, насколько хорошо материал отводит тепловую энергию от вашего тела. А металл, благодаря своему особому молекулярному строению, очень, очень хорошо справляется с этой задачей.
Читайте также: Физики создали новую картину атомного ядра, включающую глюоны и кварки
Комментировать можно ниже в разделе “Добавить комментарий”.