ТЕОРИЯ СЦЕПЛЕНИЯ-НАТЯЖЕНИЯ - Джеймс трефил


^ ТЕОРИЯ СЦЕПЛЕНИЯ-НАТЯЖЕНИЯ


Растения очень нуждаются в воде. В отличие от животных, сохраняющих большую часть проглоченной воды, растения испаряют через листья почти 90% влаги, поступившей через корни. Этот процесс называется транспирацией и происходит вследствие того, что устьица листьев большую часть времени остаются открытыми, чтобы углекислый газ из атмосферы мог проникать в растение и принимать участие в фотосинтезе. Из-за такой огромной потребности в воде британский эколог Джон Харпер (John Harper) назвал растение «фитилем, который соединяет хранилище почвенных вод с атмосферой». Через корни вода поступает в растения из почвы под влиянием осмотического давления, но как вода может подниматься к самым вершинам высоких деревьев — это долгое время оставалось неясным. Теория сцепления-натяжения призвана ответить на этот вопрос.

Выяснилось, что свойства молекул воды играют важную роль в процессе транспорта. Каждый атом водорода в молекуле воды образует крепкую водородную связь (см. химические связи) с атомами кислорода соседних молекул. Возникает большая сила сцепления, которая и удерживает молекулы воды вместе. (Эта же сила создает поверхностное натяжение.) Вода просачивается по одной молекуле из клеток в устьица листьев, и по мере того как одна молекула покидает клетку, другая молекула проникает в нее. Поскольку все молекулы воды связаны друг с другом водородными связями, это движение создает давление, или тягу, молекул по всему «трубопроводу» растения сверху донизу. Можно представить, что все молекулы воды связаны друг с другом: одна на входе в лист, другая чуть ниже, и так вдоль по всему растению, все ближе к почвенной воде — воде, которая в итоге всосется через корни.

Важно понять, чем этот процесс отличается от всасывания через трубочку при питье. В последнем случае создается частичный вакуум в соломинке, что позволяет атмосферному давлению протолкнуть жидкость вверх. Такой процесс может поднять воду только на 10 метров, а многие деревья гораздо выше. Теория сцепления-натяжения объясняет, как заставить воду подняться на большую высоту, не прибегая к обычному всасыванию.

ок. 1850

сер. XX
теория эволюции

Жизнь на Земле

возникла благодаря

физическим

и химическим

реакциям и

развивалась

в процессе

естественного




1809
отбора

ламаркизм


1859

социальный дарвинизм


1896

теория эволюции


закон копа


1899

онтогенез повторяет филогенез


1964

1970-е
триединый мозг коэволюция

молекулярные часы


Прежде чем приступить к обсуждению эволюции, едва ли не самой важной концепцией науки о жизни, мне хотелось бы напомнить вам одну мысль, высказанную во введении. Слово «теория» в научном понимании не обязательно подразумевает отсутствие уверенности в рассматриваемых представлениях. Вопреки обычаям и исторически сложившемуся значению этого слова, многие теории (включая теорию относительности) на самом деле относятся к наиболее широко признанным составляющим научного мировоззрения.

В настоящее время реальность эволюции уже не подвергает сомнению никто из серьезных ученых, хотя существует несколько конкурирующих теорий, каждая из которых предлагает свой вариант развития событий. В этом отношении эволюция аналогична гравитации. Существует несколько теорий гравитации — закон всемирного тяготения ньютона, общая теория относительности и, в один прекрасный день, возможно, универсальная теория. Однако существует факт тяготения — если вы уроните любой предмет, он упадет. Подобно этому существует факт эволюции, несмотря на то что споры ученых по частным вопросам теории продолжаются.

Если обсуждать историю жизни на Земле, то следует рассмотреть две стадии, на каждой из которых события были обусловлены двумя разными принципами. На первой стадии процессы химической эволюции на древнейшей Земле привели к образованию первой живой клетки из неорганических материалов. На второй стадии потомки этой живой клетки развивались в разных направлениях, порождая многообразие жизни на планете, которое мы наблюдаем сегодня. На этой стадии развитие определял принцип естественного отбора.


химическая эволюция

Человеческая мысль лишь сравнительно недавно обогатилась представлением о том, что мы можем понять процесс организации неживых материалов, в результате которого образуются простые живые системы. Важной вехой на пути к этому представлению был поставленный в 1953 году эксперимент миллера—юри, впервые показавший возможность возникновения основных биологических молекул в результате самых обычных химических реакций. С тех пор ученые предложили много других путей, по которым могла идти химическая эволюция. Некоторые из этих идей перечислены ниже, но важно помнить, что до сих пор нет единого мнения о том, какой из этих путей может быть верным. Одно мы знаем точно: что один из этих процессов или другой процесс, до которого еще никто не додумался, привел к возникновению первой живой клетки на планете (если только жизнь не возникла в другом месте — представление о панспермии обсуждается в главе кислоты и основания.


^ Первичный бульон. В результате процессов, воспроизведенных в эксперименте Миллера—Юри, в атмосфере образовались молекулы, упавшие с дождем в океан. Здесь (или, возможно, в водоеме, образованном приливом) неизвестный пока процесс привел к организации этих молекул, породивших первую клетку.

^ Первичное нефтяное пятно. Процессы Миллера—Юри могут давать начало липидам, молекулы которых спонтанно образуют маленькие сферы (вы часто видите такие каплевидные образования на поверхности супа). В каждой сфере собрано случайное число молекул. Один из миллионов пузырьков на поверхности океана мог содержать правильный набор молекул с точки зрения энергии и материалов и мог поделиться пополам. Такой могла бы быть первая клетка.

Мир РНК. Одна из проблем эволюционной теории связана с развитием системы кодирования, основанной на использовании молекул РНК (см. также центральная догма молекулярной биологии). Проблема в том, что белки закодированы на ДНК, но для того чтобы прочесть записанный ДНК код, нужна активность белков. Недавно ученые открыли, что РНК, которая в настоящее время участвует в преобразовании записанного на ДНК кода в белки, может также выполнять одну из функций белков в живых системах. Похоже, что образование молекул РНК было важнейшим событием в развитии жизни на Земле.

^ Океанический путь. В условиях огромного давления, господствующего на дне океана, химические соединения и химические процессы могут быть совсем не такими, как на поверхности. Ученые изучают химизм этой среды, который, возможно, мог способствовать развитию жизни. Если ответ на этот вопрос будет положительным, то жизнь могла зародиться на дне океана и позднее мигрировать на сушу.

^ Автокаталитические комплексы. Эта концепция ведет начало от теории сложных саморегулирующихся систем. Согласно этому предположению, химизм жизни не развивался ступенчато, а возник на стадии первичного бульона.

^ Глиняный мир. Первой моделью жизни могли быть не химические реакции, а статические электрические заряды на поверхности глины, покрывающей океанское дно. По этой схеме сборка сложных молекул жизни происходила не в результате случайных комбинаций, а благодаря электронам на поверхности глины, удерживающим небольшие молекулы вместе во время их сборки в более крупные молекулы.

Как вы видите, в идеях о способах развития жизни из неорганических материалов недостатка нет. Однако до конца 1990-х годов происхождение жизни не являлось приоритетной областью науки, никто особенно не стремился разобраться с этими теориями. В 1997 году НАСА включила исследования происхождения жизни в список своих основных задач. Я надеюсь, что уже вскоре ученые смогут создать в своих лабораториях простые организмы, похожие на тех которые могли существовать на нашей планете 4 миллиарда лет назад.


Естественный отбор

После появления на планете первого способного к воспроизведению живого организма жизнь «переключила скорость» и дальнейшие изменения направлял естественный отбор. Большинство людей, используя термин «эволюция», подразумевают именно естественный отбор. Представление о естественном отборе ввел английский натуралист Чарлз Дарвин, опубликовавший в 1859 году свой монументальный труд О происхождении видов путем естественного отбора или сохранения благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь. Идея естественного отбора, к которой независимо от Дарвина пришел Алфред Рассел Уоллес (Alfred Russel Wallace, 1823-1913), основана на двух положениях: представители любого вида в чем-то различаются между собой, и всегда существует конкуренция за ресурсы. Первый из этих постулатов очевиден для каждого, кто наблюдал за любой популяцией (включая популяцию людей). Некоторые представители крупнее, другие быстрее бегают, окраска третьих позволяет им оставаться незаметными на фоне среды обитания. Второй постулат отражает прискорбный факт из жизни мира природы — рождается значительно больше организмов, чем выживает, и таким образом происходит постоянная конкуренция за ресурсы.

Вместе эти постулаты приводят к интересному выводу. Если некоторые особи обладают особенностью, позволяющей им успешней конкурировать в условиях определенной среды — например, развитая мускулатура хищников позволяет им успешнее охотиться, — то для них увеличиваются шансы дожить до взрослого состояния и оставить потомство. И их потомство, вероятно, унаследует эту особенность. Пользуясь современной терминологией, мы скажем, что особи с высокой вероятностью передадут потомству гены, отвечающие за быстрый бег. С другой стороны, для плохих бегунов вероятность выжить и оставить потомство ниже, поэтому их гены могут и не перейти к следующему поколению. Поэтому в поколении «детей» особей с «быстрыми» генами будет больше, чем в поколении «родителей», а в поколении «внуков» — еще больше. Таким образом признак, повышающий вероятность выживания, в конце концов распространится по всей популяции.

Этот процесс Дарвин и Уоллес назвали естественным отбором. Дарвин находил в нем сходство с искусственным отбором. Люди используют искусственный отбор для того, чтобы выводить растения и животных, которые обладали бы желаемыми признаками, отбирая для этого половозрелые особи и только их допуская до скрещивания. Если люди могут делать это, рассуждал Дарвин, то почему не может природа? Для возникновения разнообразия видов, которое мы наблюдаем на планете сегодня, более чем достаточно улучшенной выживаемости особей с адаптивными признаками в последовательных поколениях и на протяжении длительного периода времени.

Дарвин, сторонник доктрины униформизма, понимал, что образование новых видов должно происходить постепенно — различия между двумя популяциями должны усиливаться все больше и больше до тех пор, пока скрещивание между ними не окажется невозможным. Позднее ученые обратили внимание на то, что эта закономерность не всегда соблюдается. Вместо этого вид в течение длительного времени остается неизменным, затем внезапно меняется — этот процесс называется перемежающимся равновесием. Действительно, изучая ископаемых, мы видим оба варианта видообразования, что не кажется странным с высоты современных представлений о генетике. Теперь нам понятна основа первого их двух перечисленных постулатов: на ДНК различных особей записаны различные версии одного и того же гена. Изменение ДНК может иметь совершенно разные последствия: от полного отсутствия эффекта (если изменение затрагивает участок ДНК, не используемый организмом) до громадного эффекта (если изменится ген, кодирующий ключевой белок). После того как ген изменится, что может сказаться постепенно или немедленно, действие естественного отбора будет направлено либо на то, чтобы распространить этот ген во всей популяции (если изменение полезное), либо на то, чтобы уничтожить его (если изменение вредное). Другими словами, скорость изменения зависит от генов, но когда такое изменение уже произошло, именно естественный отбор определяет направление изменений в популяции.

Как любая научная теория, теория эволюция должна была получить подтверждение в жизни. Имеются три крупных класса наблюдений, подтверждающих эту теорию.


Ископаемые свидетельства

После гибели растения или животного останки обычно рассредоточиваются в окружающей среде. Но иногда некоторые из них могут погрузиться в почву, например в ил при наводнении, и оказаться недоступными для разложения. Со временем, по мере того как ил будет превращаться в горную породу (см. цикл преобразования горной породы), медленные химические процессы приведут к замещению кальция в скелете или других твердых частях тела минеральными веществами, содержащимися в окружающей породе. (В редких случаях условия оказываются такими, что могут сохраниться и более мягкие структуры, например, кожа или перья.) В конце концов этот процесс завершится образованием идеального отпечатка оригинальной части тела в камне — окаменелости. Все обнаруженные окаменелости вместе называют ископаемыми свидетельствами.





^ Вьюрки Галапагосского архипелага


дарвиновские вьюрки

Разнообразие вьюрков на Галапагосских островах — один из ярких примеров естественного отбора в действии. Дарвиновская теория эволюции была основана строго на наблюдениях за природой. Путешествуя в качестве натуралиста на корабле «Бигль», Дарвин побывал на Галапагосских островах, одном из самых отдаленных ареалов на Земле.

Вьюрки составляют около 40% от всех видов птиц, обитающих на этих островах. По-видимому, они ведут происхождение от одного вида вьюрков, залетевшего на острова много лет назад. Дарвин заметил, что в результате эволюции вьюрки заняли абсолютно различные экологические ниши. Предком галапагосских вьюрков была птица, обитавшая на земле и питавшаяся семенами. Современные потомки этого вьюрка включают птиц, живущих на земле и на деревьях, питающихся семенами, кактусами и насекомыми. Предполагают, что такое разнообразие среди близкородственных птиц подсказало Дарвину идею естественного отбора. Вот почему дарвиновские вьюрки стали одним из символов в истории науки.


Березовая пяденица

Согласно теории эволюции, характеристики популяции изменяются в ответ на изменения среды, причем предпочтение отдается характеристикам, которые повышают шансы живого организма оставить потомство. Одно из лучших исследований естественного отбора в действии проведено на бабочке березовой пяденицы (Biston betularia). Эти бабочки, обитающие в Англии, чаще всего селятся на деревьях, покрытых лишайником. В этой части Англии произрастает светлый лишайник, и бабочки, сливающиеся по цвету с лишайником, менее заметны для хищников.

В XIX веке в Центральной Англии стремительно развивалась

промышленность, и большая часть ареала березовой пяденицы была сильно загрязнена дымом и сажей. Стволы деревьев почернели, что сильно изменило среду обитания пяденицы. Популяция пяденицы стала изменяться, причем в загрязненных районах в более выгодном положении оказывались бабочки с темной окраской. В конце концов вся популяция стала черной. Это изменение происходило в точности так, как предсказывала теории эволюции — в изменившейся среде обитания немногочисленные темные бабочки приобрели невероятное конкурентное преимущество, и постепенно их гены стали доминировать.

Объяснение изменений в популяции березовой пяденицы, как любую другую научную гипотезу, следовало подтвердить экспериментально. Таким экспериментатором стал энтомолог-любитель Генри Бернард Дэвид Кетлвелл (Henry Bernard David Kettlewell, 1907-79), который провел свои исследования в 1950-е годы. Он пометил нижние стороны бабочек березовой пяденицы, невидимые для хищников. Затем он выпустил одну группу помеченных светлых и темных бабочек недалеко от Бирмингема, в самом сильно загрязненном районе, а вторую группу — в сельском Дорсете, относительно незагрязненном районе в юго-западной Англии. После этого Кетлвелл посещал эти местности по ночам и, включая свет для привлечения бабочек, вновь собирал их. Он обнаружил, что в Бирмингеме, ему удалось собрать 40% темных бабочек и 20% светлых, а в Дорсете — 6% темных и 12% светлых. В загрязненном районе Бирмингема выживанию бабочек явно благоприятствовала темная окраска, а в чистом районе Дорсета — светлая.

На этом история с березовой пяденицей не закончилась. В 1960-х годах в Англии началась борьба с загрязнением воздуха, и скопления сажи в индустриальных районах начали сокращаться. В ответ на это в популяции березовой пяденицы началось изменение окраски с темной на светлую, что опять же можно было прогнозировать на основании положений теории Дарвина.


Возраст ископаемых составляет приблизительно 3,5 миллиарда лет — столько лет отпечаткам, найденным в бывших отложениях тины на древних австралийских скалах. Они рассказывают увлекательную историю о постепенном усложнении и расширении многообразия, которое привело к огромному разнообразию жизненных форм, населяющих сегодня Землю. Большую часть прошлого жизнь была относительно простой, представленной одноклеточными организмами. Приблизительно 800 миллионов лет назад начали появляться многоклеточные жизненные формы. Поскольку их тело было мягким (вспомните медузу), от них почти не осталось отпечатков, и лишь несколько десятилетий назад ученые убедились в том, что они жили в ту эпоху, на основании оставленных в осадочных отложениях отпечатков. Приблизительно 550 миллионов лет назад появились твердые покровы и скелеты, и именно с этого момента появляются настоящие ископаемые. Рыбы — первые позвоночные животные — появились около 300 миллионов лет назад, динозавры начали вымирать приблизительно 65 миллионов лет назад (см. массовые вымирания), и 4 миллиона лет назад в Африке появились ископаемые люди. Обо всех этих событиях можно прочитать в Летописи ископаемых.


Биохимические свидетельства

У всех живых организмов на нашей планете одинаковый генетический код — мы все не более чем набор различной информации, записанной универсальным языком ДНК. Тогда можно ожидать, что если жизнь развивалась по описанному выше сценарию, то у современных живых организмов степень совпадения последовательностей ДНК должна быть различной в зависимости от того, насколько давно жил их общий предок. Например, у человека и шимпанзе одинаковых последовательностей ДНК должно быть больше, чем у человека и рыбы, поскольку общий предок человека и шимпанзе жил 8 миллионов лет назад, а общий предок человека и рыбы — сотни миллионов лет назад. Действительно, анализируя ДНК живых организмов, мы находим подтверждения этого предположения: чем дальше друг от друга на эволюционном дереве находятся два организма, тем меньше сходства обнаруживается в их ДНК. И это вполне понятно, поскольку чем больше прошло времени, тем больше накопилось у них различий.

Использование анализа ДНК для того, чтобы открыть наши глаза на наше эволюционное прошлое, иногда называют молекулярными часами. Это убедительнейшее доказательство теории эволюции. ДНК человека ближе к ДНК шимпанзе, чем к ДНК рыбы. Могло бы оказаться совсем наоборот, но не случилось. На языке философии науки этот факт показывает, что теория эволюция опровергаема — можно представить себе исход, который указывал бы на ложность этой теории. Таким образом, эволюция не является так называемым креационистским учением, как бы основанным на библейской Книге бытия, поскольку нет таких наблюдений или экспериментов, которые могли бы осязаемо убедить креационистов в том, что их учение ложно.


Несовершенство замысла

Хотя несовершенство замысла как таковое не является доводом в пользу эволюции, оно совершенно согласуется с картиной жизни, предложенной Дарвином, и противоречит представлению о том, что живые существа были созданы, уже имея особое предназначение в жизни. Дело в том, что для того чтобы передать гены следующему поколению, организму нужно быть не совершенным, а всего лишь настолько хорошим, чтобы успешно противостоять врагам. Следовательно, каждая ступень на эволюционной лестнице должна быть пристроена к предыдущей, и характеристики, которые могли быть благоприятствующими на одной из стадии, будут «заморожены» и сохранятся даже после того, как появятся более подходящие варианты.

Инженеры называют эту особенность QWERTY-эффектом (QWERTY — последовательность букв верхнем ряду почти всех современных клавиатур). Когда проектировали первые клавиатуры, основная цель заключалась в том, чтобы снизить скорость печати и не допустить зажимания клавиш механических пишущих машинок. Такая конструкция клавиатуры сохранилась до сих пор, несмотря на возможность использования производительных клавиатур.

Подобно этому особенности строения «закрепляются» на ранних стадиях эволюции и сохраняются в прежнем виде, несмотря на то, что любой современный студент-технарь справился бы с этой задачей лучше. Вот несколько примеров.

Глаз человека устроен так, что падающий свет превращается в нервные импульсы перед сетчаткой, хотя по такой схеме в глаз попадает не весь падающий свет.

Зеленый цвет листьев растений означает, что они отражают часть падающего на них света. Любому инженеру известно, что приемник солнечной энергии должен быть черного цвета.

В глубоких подземных пещерах обитают змеи, у которых глазницы находятся под кожей. Это имеет смысл, если предки этих змей жили на поверхности и нуждались в глазах, но лишено смысла для животных, созданных для подземной жизни.

В туловище китов есть маленькие кости задних конечностей. Сегодня эти кости абсолютно бесполезны, но их происхождение понятно, если предки китов когда-то жили на суше.

Неизвестно, какую функцию выполняет аппендикс у человека, хотя у некоторых травоядных животных аппендикс участвует в переваривании травы.


Эти свидетельства дополняют друг друга и настолько грандиозны, что не только давно убедили серьезных ученых в справедливости эволюционной теории Дарвина, но и являются стержнем любых разъяснений, касающихся функционирования живых систем на нашей планете.



^ ЧАРЛЗ РОБЕРТ ДАРВИН (Charles Robert Darwin, 1809-82) — английский натуралист, создатель теории эволюции путем естественного отбора. Дарвин полностью изменил представления о природе. Он родился в Шрюс-бери, в известной в городе семье. Отец Дарвина был преуспевающим врачом, а мать происходила из семьи Веджвуд, известной своими гончарными изделиями. Дарвин был малозаметным учеником, поскольку считал школьное образование скучным и сухим. Директор школы был недоволен тем, что Дарвин тратит время на химические эксперименты, а отец, в очередной раз обрушивая на сына град упреков, заявил: «Тебя интересует лишь охота, собаки и ловля крыс, и ты навлечешь позор на себя и всю свою семью».

Дарвина отправили в Эдинбург изучать медицину, но для него было мучением присутствовать на операциях (которые тогда проводились без анестезии). Затем он учился в Кембридже, готовясь стать священником. Там он познакомился с людьми, которые привили ему интерес к геологии и естествознанию, а позднее договорились о том, что его возьмут на парусное судно «Бигль» (в качестве неоплачиваемого натуралиста), которое отправлялось в пятилетнее поисково-разведочное плавание вокруг Южной Америки и Австралии. Именно в этом плавании Дарвин вел наблюдения за вьюрками,

которые привели его к созданию теории эволюции.

После возвращения в Англию Дарвин женился на двоюродной сестре, но вскоре заболел. Это заболевание, вызванное укусами насекомых в Аргентине, современные ученые называют американским трипаносомозом. Оказавшись на пенсии, Дарвин обнаружил, что у него в изобилии свободного времени для того, чтобы отразить свои наблюдения, и полно образцов, собранных им и другими участниками экспедиции. Он начал сомневаться в общепринятой точке зрения о неизменности растительных и животных видов и постепенно стал склоняться к тому, что система, согласно которой виды эволюционируют в течение времени в ответ на изменения среды, значительно лучше могла объяснить мир природы. Труд «О происхождении видов» был опубликован в 1859 году и немедленно вызвал бурю. Некоторые посчитали основное положение теории Дарвина критикой христианского учения (это мнение сохраняется и сегодня), и споры по поводу дарвинизма не утихали большую часть второй половины XIX века.

Сегодня представление о развитии жизни в процессе эволюции, которую направляют силы естественного отбора, является обобщающей идеей, связывающей все науки о жизни — от экологии до молекулярной биологии.

ок. 1800
Тепловое расширение



Изменение линейных размеров тела при нагревании пропорционально изменению температуры

^ ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ


Подавляющее большинство веществ при нагревании расширяется. Это легко объяснимо с позиции механической теории теплоты, поскольку при нагревании молекулы или атомы вещества начинают двигаться быстрее. В твердых телах атомы начинают с большей амплитудой колебаться вокруг своего среднего положения в кристаллической решетке и им требуется больше свободного пространства. В результате тело расширяется. Так же и жидкости и газы, по большей части, расширяются с повышением температуры по причине увеличения скорости теплового движения свободных

молекул (см. закон бойля —мариотта, закон шарля, уравнение состояния идеального газа).

Основной закон теплового расширения гласит, что тело с линейным размером ^ Ь в соответствующем измерении при увеличении его температуры на АТ расширяется на величину АЬ, равную:

АЬ = аЬАТ,

где а — так называемый коэффициент линейного теплового расширения. Аналогичные формулы имеются для расчета изменения площади и объема тела. В приведенном простейшем случае, когда коэффициент теплового расширения не зависит ни от температуры, ни от направления расширения, вещество будет равномерно расширяться по всем направлениям в строгом соответствии с вышеприведенной формулой.

Для инженеров тепловое расширение — жизненно важное явление. Проектируя стальной мост через реку в городе с континентальным климатом, нельзя не учитывать возможного перепада температур в пределах от -40°С до +40°С в течение года. Такие перепады вызовут изменение общей длины моста вплоть до нескольких метров, и, чтобы мост не вздыбливался летом и не испытывал мощных нагрузок на разрыв зимой, проектировщики составляют мост из отдельных секций, соединяя их специальными термическими буферными сочленениями, которые представляют собой входящие в зацепление, но не соединенные жестко ряды зубьев, которые плотно смыкаются в жару и достаточно широко расходятся в стужу. На длинном мосту может насчитываться довольно много таких буферов.

Однако не все материалы, особенно это касается кристаллических твердых тел, расширяются равномерно по всем направлениям. И далеко не все материалы расширяются одинаково при разных температурах. Самый яркий пример последнего рода — вода. При охлаждении вода сначала сжимается, как и большинство веществ. Однако начиная с +4°С и до точки замерзания 0°С вода начинает расширяться при охлаждении и сжиматься при нагревании (с точки зрения приведенной выше формулы можно сказать, что в интервале температур от 0°С до +4°С коэффициент теплового расширения воды а принимает отрицательное значение). Именно благодаря этому редкому эффекту земные моря


и океаны не промерзают до дна даже в самые сильные морозы: вода холоднее +4°С становится менее плотной, чем более теплая, и всплывает к поверхности, вытесняя ко дну воду с температурой выше +4°С.

То, что лед имеет удельную плотность ниже плотности воды, — еще одно (хотя и не связанное с предыдущим) аномальное свойство воды, которому мы обязаны существованием жизни на нашей планете. Если бы не этот эффект, лед шел бы ко дну рек, озер и океанов, и они опять же вымерзли бы до дна, убив все живое.


Теплообмен

Теплота может

передаваться

посредством

теплопроводности,

конвекции или

излучения


второе начало термодинамики гласит, что теплота всегда передается от более горячего тела более холодному, однако о механизме теплопередачи там не говорится ни слова. Однако характер переноса теплоты крайне важен с инженерно-физической точки зрения, и неудивительно, что механизмы теплообмена стали важным предметом исследований в первой половине девятнадцатого столетия. Как уже упомянуто в аннотации, было открыто три способа теплообмена, и за каждым из них стоит уникальный физический процесс.


1798 • механическая теория теплоты


xix • ТЕПЛООБМЕН


1849 • молекулярно-

кинетическая теория


1850 • термодинамика, второе начало


Теплопроводность

Положите загнутой конец железной кочерги в горящий камин — и уже через пару минут вы не сможете притронуться к ее свободному концу, хотя он находится на значительном удалении от пламени. А происходит это в результате того, что любой металл обладает высокой теплопроводностью, и жар огня от разогретого конца кочерги очень быстро распространяется по всей ее длине.

А обусловлена высокая теплопроводность металла следующим: атомы металла организованы в трехмерную кристаллическую решетку и постоянно вибрируют около своего среднестатистического положения. Атомы погруженного в огонь конца кочерги под воздействием соударения с быстро движущимися молекулами углей и раскаленного газового пламени быстро разогреваются и начинают вибрировать значительно интенсивнее. Очень скоро температура прогреваемого конца кочерги практически сравнивается с температурой пламени, о чем можно судить по тому, что металл разогревается докрасна.

Одновременно сами термически возбужденные атомы, соударяясь с соседними атомами, передают последним энергию теплового движения, и те, в свою очередь, также очень быстро разогреваются до температуры, близкой к температуре горения. При этом, отдав свою тепловую энергию соседям, атомы погруженного в пламя конца кочерги практически тут же компенсируют ее за счет непрерывного поступления тепловой энергии, выделяющейся при горении.

Таким образом, посредством цепочки межатомных взаимодействий теплота быстро распространяется вверх по ручке кочерги, постоянно пополняясь за счет энергии сгорания дров, пока не достигнет рукояти, которую вы держите в ладони, и тогда вы, почувствовав, как она нагрелась, вынуждены будете выпустить кочергу во избежание ожога.

Таким образом, теплопроводность представляет собой механизм теплового обмена посредством соударения между отдельными атомами или молекулами теплопроводящего вещества. То есть тепловое движение распространяется по веществу, однако сами атомы или молекулы остаются жестко закрепленными внутри его структуры, и переноса вещества, как такового, мы не наблюдаем.


Уравнение, описывающее механизм теплопроводности, выглядит следующим образом:

О = А х ДТ/Я,

где О — количество передаваемой тепловой энергии, А — площадь сечения теплопроводящего тела, АТ — разность температур между двумя точками, а Я — тепловое сопротивление материала, характеризующее, насколько он тормозит теплопередачу. В вышеприведенном примере с кочергой, одним концом опущенной в камин, АТ равняется разнице между температурой пламени на одном конце и комнатной температурой воздуха на другом, А — площади сечения железного прута, из которого сделана кочерга, а Я определяется свойствами металла. В целом же приведенная формула подсказывает, что чем больше разность температур и чем больше площадь поперечного сечения, тем большее количество теплоты будет передаваться. В то же время при фиксированных значениях разности температур и площади поперечного сечения количество передаваемой теплоты будет обратно пропорционально тепловому сопротивлению, то есть чем оно выше, тем медленнее будет нагреваться рукоять. Поэтому материалы с высокими значениями Я (например, асбест, стекловолокно или пух) являются хорошими теплоизоляторами.


Конвекция

Теперь представьте себе кастрюлю с водой на плите. Сначала вода ведет себя неподвижно, и теплота от нижних слоев к верхним передается посредством теплопроводности. По мере нагревания, однако, характер теплопередачи меняется, поскольку запускается процесс, который принято называть конвекцией.

Нагреваясь вблизи дна, вода расширяется. Соответственно, удельный вес придонной разогретой воды оказывается легче, чем вес равного объема воды в поверхностных слоях. Это приводит всю водную систему внутри кастрюли в нестабильное состояние, которое компенсируется за счет того, что горячая вода начинает всплывать к поверхности, а на ее место опускается более прохладная вода.

Однако процесс этот одним актом не ограничивается, поскольку, обменявшись местами, горячая и прохладная вода очень скоро обмениваются и ролями в силу того, что опустившаяся ко дну вода быстро разогревается и расширяется, а всплывшая горячая — быстро остывает и уплотняется за счет излучения (см. ниже). В результате ситуация нестабильности повторяется и слои воды снова меняются местами.

Нетрудно увидеть, что такая ситуация по сути приводит к постоянной нестабильности воды в кастрюле и начинается непрерывная циркуляция водной массы: разогретая вода со дна всплывает, вытесняя ко дну остывающую воду с поверхности. В результате



мы наблюдаем циркулярные потоки, которые принято называть конвекционными токами (см. рисунок). Присмотритесь внима­тельно к поверхности воды в кастрюле при ее закипании — и вы увидите конвекцию в действии: прозрачные области — это вода, поднимающаяся со дна, а пузыристые — это места, откуда вода только что пошла ко дну, оставив на поверхности накипь.

Конвекционные токи — весьма распространенный в природе способ теплообмена. Конвекция происходит в недрах Солнца, в слое между ядром и короной, именно она доставляет к поверх­ности светила тепловую энергию, вырабатываемую в ходе реакции термоядерного синтеза (см. эволюция звезд). Непрерывная кон­векция происходит в земной мантии, в результате чего мы наблю­даем движение тектонических плит. Конвекционные атмос­ферные потоки определяющим образом сказываются на климате нашей планеты, перенося тепло из экваториальных широт в при­полярные вместе с воздушными и океаническими массами. Даже на уровне отдельно взятого крупного города конвекция приводит к значительным перемещениям атмосферных слоев: перегретый асфальт в центре города в этом случае играет роль конфорки под днищем кастрюли, если вернуться к исходному примеру. Факти­чески благодаря конвекции в городах устанавливается особый микроклимат.

Обобщая, подчеркнем, что конвекция по сути представляет собой теплообмен посредством переноса вещества. Накопив теп­лоту в одном месте, вещество-носитель переносит его в более холодное и там отдает окружающей среде. В этом коренное отличие конвекции от теплопроводности, когда вещество — про­водник тепла само остается на месте.





^ Пример конвекции. В закипающей воде цир­кулируют конвекционные


токи




Излучение

В отличие от двух предыдущих видов теплообмена при лучевом переносе тепла вещество — будь оно в твердом, жидком или газообразном состоянии — не задействовано вовсе. В этом случае теплообмен осуществляется в силу того, что любая материя, имеющая температуру выше абсолютного нуля, излучает энергию в окружающую среду (см. закон стефана—больцмана). Тип излучения зависит от температуры тела. Это нетрудно понять на повседневном опыте: металл в кузнице сначала раскаляется докрасна, потом до желто-оранжевого цвета и наконец практически добела. Это свидетельствует о повышении температуры вещества, потому что чем выше температура, тем короче длина излучаемых волн. Относительно холодные тела излучают в инфракрасном диапазоне волн, и мы их излучения не видим, а только осязаем как тепловое. Самые горячие тела испускают также невидимое излучение в микроволновом диапазоне.

Возможно, самым знаменитым примером открытия невидимого излучения стало открытие реликтового микроволнового фона космического излучения, ставшее одним из основных подтверждений правильности гипотезы большого взрыва. По сути, этот фон излучается всей Вселенной в ее совокупности, поскольку она расширяется и постепенно остывает, теряя свою изначально колоссальную среднюю температуру.


Термодинамика, второе начало

Невозможна самопроизвольная передача теплоты от холодного тела к теплому

^ Никакой двигатель не может преобразовывать теплоту в работу со стопроцентной эффективностью




1798
В замкнутой системе энтропия не может убывать


1824

механическая теория теплоты


цикл и теорема


1842
карно


1850

термодинамика, первое начало


1867

0487837215247794.html
0487988892792388.html
0488059801191416.html
0488153354407543.html
0488353584229508.html