ЧАСТИЦЫ, УДЕРЖИВАЕМЫЕ ВМЕСТЕ

Соблазнительно было бы думать о человеческом организме (и вообще о живой ткани) как о механизме, извлекающем работу из равномерно нагретой системы просто в силу каких‑то особых своих свойств, позволяющих противодействовать энтропии. Ведь в конце пятой главы я уже начал было описывать живую материю в терминах энтропии.

Однако давайте не будем сосредоточиваться на тепле исключительно как на источнике работы только потому, что этим занимались на заре возникновения термодинамики. Формулировка второго закона этой науки, выдвинутая Кельвином, гласила, что тепло невозможно перевести в работу при условии отсутствия разности температур, но ведь, помимо тепла, существуют еще и другие виды энергии! Падающий камень совершает работу, несмотря на тот факт, что температура его в точности равняется как температуре вершины скалы, на которой он лежал, так и температуре подножия, на которое он падает. Важна не разность температур, а разность потенциалов энергии.

В таком случае остается установить, какую же именно энергию используют живые организмы, извлекая из нее работу. Но жизнь – слишком сложное явление, чтобы постичь его с наскоку, и для начала надо взять что‑нибудь попроще.

Вернемся к тепловым машинам и зададимся вопросом: откуда берется энергия для изначального нагрева горячей камеры? Ответ прост – она получается в процессе горения. Дерево, уголь, нефтепродукты или газ сжигаются, и полученная в этом процессе энергия нагревает воду до состояния пара, что и делает возможным функционирование тепловых машин. Да, для того, чтобы запустить процесс горения, любое топливо надо сначала поджечь, но количество энергии, получаемой во время горения, во много раз больше, чем количество энергии, изначально затраченной на поджигание. Так откуда же берется эта энергия?

Это крайне важный для нас вопрос, поскольку, как я расскажу позже, достаточно давно было подмечено, что между горением угля и дыханием живых существ есть что‑то общее. Казалось, что, если удастся найти источник энергии, таящейся, скажем, в холодном угле, нашедший его окажется на прямом пути к открытию источника энергии человеческого организма.

Так или иначе, давайте попробуем.

В XVIII столетии, на пике популярности теорий неуловимых флюидов, считалось, что уголь – это пример вещества полного флогистона. Считалось, что в процессе горения флогистон высвобождается и именно этот процесс и порождает выделение тепла и света, составляющих горение. Однако эта теория содержала в себе неустранимые внутренние противоречия, за что Лавуазье ее и разгромил.

Теперь требовалось новое объяснение того, каков же источник высвобождаемой при горении энергии, и до появления теории атомов этот пробел так и не был заполнен.

Ключевую подсказку к правильному ответу я уже привел в предыдущей главе, там, где упоминал эффект Джоуля–Томсона. (Напомню: газ, расширяющийся в вакууме, производит работу, поскольку молекулам при центробежном движении приходится преодолевать существующую между ними слабую силу притяжения.)

Значит, между молекулами существует сила притяжения, так же как и между небесными телами. Как существование силы гравитационного притяжения является основой для самого понятия о «потенциальной энергии», так и существование межмолекулярного притяжения является основой для некоего понятия, которое можно по аналогии назвать «химической энергией».

Возьмем, скажем, лед. Он состоит из молекул воды, находящихся в непосредственном контакте друг с другом и расположенных в строгом порядке. (Я не буду углубляться в доказательство этих фактов, упомяну лишь, что такой порядок атомов или молекул называется «кристаллическим» и что большую часть твердых веществ можно привести к кристаллическому виду.)

При заданной температуре ниже 0 °С отдельные молекулы в составе кристалла вибрируют в рамках выделенного им места. Однако кинетической энергии подобных вибраций недостаточно, чтобы преодолеть силу межмолекулярного притяжения, которое удерживает молекулы вместе так, что все молекулы продолжают оставаться на своих местах.

Если лед начать нагревать, молекулы будут вибрировать все быстрее и кинетическая энергия, которой они обладают, будет становиться все больше. По достижении температуры в 0 °С кинетическая энергия молекул становится достаточно мощной, чтобы преодолеть силу межмолекулярного притяжения, и кристалл льда распадается. Отдельные молекулы начинают свободно перемещаться по общему объему вещества – они больше не привязаны к конкретному месту в общей структуре. Короче говоря, твердый лед начинает таять и превращается в жидкую воду.

По мере дальнейшего нагревания тающего льда поступающее тепло не переходит в увеличение кинетической энергии отдельных молекул и, соответственно, температура не повышается. Вместо этого вся поступающая тепловая энергия тратится на преодоление силы межмолекулярного притяжения, так что лед продолжает таять. Молекулы талой воды в образующейся слякоти не обладают большей кинетической энергией, чем те молекулы воды, что еще связаны в кристаллической структуре, так что температура образующейся жидкости не выше температуры еще не растаявших кристаллов льда. Тем не менее в какой‑то форме вода все же должна содержать больше энергии, чем лед, ведь молекулы воды сумели преодолеть силу, удерживающую их в кристалле, а молекулы льда – нет. Эта форма энергии и есть та «химическая» энергия, о которой я упомянул.

Таким образом, молекулы жидкой воды при температуре 0 °С содержат больше химической энергии, чем молекулы льда при той же температуре. Когда лед тает, получаемое тепло переводится в химическую энергию, а не в кинетическую, поэтому в процессе таяния температура льда не повышается. Лишь после того, как весь лед растает, получаемое тепло снова будет переходить в кинетическую энергию и приводить к дальнейшему повышению температуры.

На процесс перевода грамма льда с температурой 0 °С в грамм воды с той же температурой тратится 80 калорий, так что каждый грамм жидкой воды содержит на 80 калорий химической энергии больше, чем грамм льда с той же температурой. Именно это латентное тепло плавления открыл Блэк в период господства теории теплорода. Он не сумел внятно объяснить этот феномен (хотя и совершил героическую попытку сделать это), поскольку в своей теоретической базе использовал лишь «невесомые флюиды». Нам в этом отношении повезло больше.

Но ведь это еще не все. В жидкой воде (как и в любой жидкости) составляющие ее молекулы не закреплены в каком‑либо определенном месте, но продолжают оставаться в непосредственном контакте, скользя друг по другу. От обретения дальнейшей независимости молекулы все же удерживаются некими силами. Дальнейшее нагревание жидкости приводит к двум следствиям. Часть тепла переводится в кинетическую энергию, так что молекулы начинают вибрировать быстрее, и температура жидкости повышается. Другая часть переходит в химическую энергию, придавая молекулам способность оторваться от остальных без повышения температуры. Так образуется пар.

При любой температуре вода (как и любая жидкость) в тех или иных масштабах испаряется. Если жидкость находится в закрытом сосуде, то часть пара обязательно конденсируется обратно в жидкость и устанавливается некое равновесие, так что при каждой заданной температуре существует свойственное ей определенное давление пара. Чем выше температура, тем выше это давление.

В обычных обстоятельствах атмосферное давление выше, чем давление водяного пара, и оно не дает молекулам воды масштабно отрываться от жидкости. Однако при температуре 100 °С давление пара сравнимо по силе с атмосферным, и вода, преодолев атмосферное сопротивление, начинает испаряться с максимальной интенсивностью – мы называем этот процесс кипением. Естественно, при более низком атмосферном давлении давление пара уравнивается с ним при более низкой температуре. Поэтому на большой высоте вода кипит при меньших температурах, и задача сварить яйцо вкрутую там приобретает особую сложность.

Пока вода кипит, все получаемое тепло переходит в химическую энергию, и вода с температурой 100 °С переводится в пар с такой же температурой. И опять же, грамм пара с температурой 100 °С содержит на 540 калорий больше, чем один грамм воды с той же температурой. Это латентное тепло кипения.

Естественно, когда пар конденсируется обратно в воду, он должен вернуть эту химическую энергию, которая переводится при этом снова в тепло. Поскольку грамм конденсирующегося пара отдает при этом 540 калорий, а грамм воды, остывающей затем со 100 °С до 0 °С, – всего 100, становится понятно, что большая часть работы, производимой паровым двигателем, получается за счет конденсации пара, а не за счет последующего остывания воды.

Водяной пар при любой температуре содержит больше химической энергии, чем жидкая вода при той же температуре. Именно поэтому при потении тело охлаждается. Химическая энергия, необходимая для испарения пота, берется из тепловой энергии тела, так что тело в результате остывает. Когда влажность воздуха так высока, что конденсация влаги практически уравновешивает ее испарение, пот собирается в капли, и мы говорим: «Проблема не в жаре, а во влажности».

Но и это еще не все. Молекула воды сама по себе не является простейшей частицей – нет, она состоит из трех атомов. Два из них – атомы водорода, один – кислорода. Три атома удерживаются воедино с помощью сил гораздо более крепких, чем те, что обеспечивают притяжение между соседними молекулами, настолько более крепких, что на ум сразу же приходят аналогии с веревками и канатами. Поэтому внутримолекулярные силы притяжения называют «химическими связями».

По мере нагревания воды (рис. 6) не только молекулы набирают кинетическую энергию и ускоряют вибрации – то же самое происходит и с составляющими эти молекулы атомами. Но даже когда вода нагревается достаточно для того, чтобы молекулы смогли разорвать все соединяющие их связи, полученной энергии еще недостаточно атомам, составляющим молекулу, чтобы разорвать куда более прочные внутримолекулярные связи. Даже водяной пар продолжает состоять из целых молекул воды.

Однако при температуре в несколько тысяч градусов энергия вибрации атомов приобретает достаточную силу, чтобы разорвать химические связи, и вода начинает разлагаться на водород и кислород. При температуре 3000 °С около четверти молекул воды распадаются на водород и кислород. Соответственно смесь водорода и кислорода содержит в себе больше химической энергии, чем аналогичная масса воды при той же температуре.

^{Рис. 6. Химическая энергия и распад молекул воды}

Но и водород с кислородом, образующиеся из распавшейся воды, тоже еще не являются простыми частицами! Пока что это газы, молекула каждого из которых состоит из двух связанных между собой атомов. Связи между этими атомами тоже могут распасться, если вещество нагреть еще больше. При температуре около 3500 °С около четверти молекул кислорода распадается на единичные атомы (с получением так называемого «атомного кислорода»), а доля молекул водорода, распадающихся при той же температуре на атомный водород, – еще больше, около трети. И опять же, в атомной форме водород и кислород содержат больше химической энергии, чем молекулярный водород и кислород при той же температуре.

При еще более высоких температурах атомы и водорода и кислорода могут распадаться на еще более мелкие частицы, но в рамках нашей книги мы на этом остановимся.

Из всего сказанного видно, что связи межатомного и межмолекулярного притяжения имеют различную силу и что при разрыве или образовании одной конкретной связи или ее замещении на другую всегда происходит некое изменение (в ту или иную сторону) содержания в веществе химической энергии. В случаях, когда химическая энергия набирается, надо учитывать энергию, поступающую в других формах (чаще всего в тепловой), чтобы не создавалось впечатления нарушения первого закона термодинамики.

Теперь мы можем дать ответ на вопрос, откуда же берется энергия горящего угля. Тепло и свет, испускаемые при горении, возникают за счет потерь химической энергии, причиной которых являются изменения в природе химических связей в угле и атмосферном кислороде.

Для того чтобы дальше говорить о подробностях типов взаимодействий с учетом изменений в природе химических связей (то есть о химических реакциях), при которых производится энергия в форме тепла и света, нам необходимо выучить язык химических записей. Это нужно не для того, чтобы «наукообразить» наше повествование, а, наоборот, для того, чтобы читать было удобнее. К счастью, язык химических записей очень логичен и прост.

Начнем с того, что на данный момент известно 103 различных химических элемента, то есть 103 различных вида атомов. В рамках этой книги все 103 нам не понадобятся. Достаточно будет около дюжины самых важных.

У каждого элемента есть конечно же собственное название, будь то простое, например «железо», или сложное, например «празеодимий». Кроме названия, известного всем химикам в мире, у каждого элемента есть еще и всемирно принятое краткое обозначение. Это одна‑две буквы латинского алфавита – первая буква названия элемента по‑латыни плюс, в большинстве случаев, еще одна буква из названия.

Уже самые первые исследования структуры атомов показали, что основной параметр, по которому атомы разных видов различаются между собой, – это их масса. То есть отдельный атом углерода всегда в двенадцать раз массивнее отдельного атома водорода; отдельный атом магния в два раза массивнее отдельного атома углерода и так далее. Поэтому атомам различных химических элементов присвоены также номера, отражающие их относительную массу. Массе атома кислорода было произвольно присвоено значение 16,0000, исходя из чего с учетом пропорций и все прочие атомы получили свой «атомный вес»[3].

В таблице 1 я привожу несколько химических элементов, с которыми мы будем дальше иметь дело в этой книге, – их символические обозначения и атомные веса. Для последних приводятся самые точные значения по новым, 1961 года, стандартам. Однако нет никакой необходимости запоминать все десятые, сотые и тысячные доли. Большая часть значений атомных весов с легкостью округляется до целых единиц, и принято считать, что атомный вес водорода – 1, углерода – 12, натрия – 23, серы – 32 и так далее. Пожалуй, единственными случаями, когда десятичные цифры стоит брать в расчет, являются хлор с его 35¹/₂ и магний с его 24¹/₂.

Писать «С» вместо «углерод» или «Н» вместо «водород» быстрее и проще, особенно это важно для химиков, которые тратят большую часть времени

Таблица 1