Krzycz gdy się sparzysz, czyli fizyka na wesoło
W dziedzinie popularyzacji fizyki wytworzyła się ostatnio paradoksalna sytuacja. Każdy „szanujący się“ inteligent wie, jak „działa“ bomba atomowa, potrafi dyskutować na temat zjawisk materializacji, równoważność materii i energii zdaje się dla niego nie posiadać większych tajemnic, a z promieniami kosmicznymi jest za pan brat. Cała fizyka klasyczna została potępiona w czambuł jako mało ciekawa i prawdopodobnie dobrze znana. Poczyna powoli urabiać się przekonanie, że tylko zagadnienia fizyki współczesnej są godne poznania, że tylko tych zagadnień „nie wypada“ nie znać. Tym wszystkim, którzy tak sądzą, autor proponuje przeczytanie kilku poniżej umieszczonych ustępów z prośbą o stwierdzenie, czy „wypadało“ nie wiedzieć np.
CO ZDRADZA ZAPACH PERFUM?
Gdyś, czytelniku, siedząc w kącie salonu, zatopiony w dyskusji z przyjacielem nad możliwością zastosowania energii atomowej w gospodarstwie domowym, nagle poczuł zapach perfum, odwróciłeś zapewne szybko głowę i spostrzegłeś w przeciwległych drzwiach wchodzącą postać z gatunku homo sapiens, płci pięknej. Jeśli, czytelniku, jesteś kobietą, zwróciłaś zapewne uwagę na krój sukni, jeśli jesteś mężczyzną, wzrok twój szybko prześlizgnął się po całej postaci i umysł twój pochłonęła czynność zwana „naukowo“ wartościowaniem. Ale czy, niezależnie od płci, pomyślałeś przez chwilę, w jaki sposób zapach perfum tak szybko do ciebie dotarł. Czy zastanowiłeś się nad tym, że w samych zwrotach „zapach dotarł“ lub „zapach rozchodzi się“ tkwi coś niejasnego. Bo co właściwie dotarło, co się rozchodzi?
Gdy uperfumowaną chusteczką dotkniesz nosa, sprawa jest względnie prosta. Perfumy, jak każda materia, składają się z maleńkich cząsteczek, będących najmniejszymi reprezentantami danej materii, posiadającymi wszystkie zasadnicze jej cechy chemiczne. Cząsteczki te działają bezpośrednio na błonę śluzową nosa, powodując podrażnienie zakończeń nerwu węchowego. Podrażnienie to za pośrednictwem nerwów dociera do mózgu i tam wywołuje wrażenie, które określone słowami nosi nazwę zapachu. Zatem zapach jest tylko wrażeniem, a więc zwroty, „zapach się rozchodzi“, „zapach dotarł“ nie mogą być traktowane dosłownie. Mówiąc ściśle to nie za-s pach, lecz cząsteczki perfum wędrują szybko poprzez powietrze od pięknej pani do ciebie, czytelniku, i działają na błonę węchową w twym nosie, wywołując wrażenie miłego zapachu. Tak oto zapach perfum zdradził ruch cząsteczek.
CIĘŻKIE DO GÓRY, LEKKIE NA DÓŁ!
Czy tylko cząsteczki perfum poruszają się? Na pytanie to może odpowiedzieć najlepiej doświadczenie. Wyobraźmy sobie dwa szklane cylindry, dolny napełniony ciężką parą bromu, górny lekkim gazem — wodorem. Para bromu jest brunatna, wodór — bezbarwny. Gdy usuniemy dzielącą te dwa cylindry przegrodę, zaobserwujemy po pewnym czasie brunatne zabarwienie wnętrza górnego cylindra. To ciężka para bromu uniosła się do góry! Gdy do dolnego cylindra przytkniemy płonącą zapałkę, nastąpi lekka detonacja — brom reaguje z wodorem. Widocznie zatem lekki wodór opadł na dół! Cóż to za dziwy?
Wyjaśnienie jest względnie proste. Należy jedynie przypuścić, że zarówno para bromu jak i wodór składają się z cząsteczek, będących w ciągłym, bezładnym ruchu. Brom i wodór przypominają roje pszczół szamocących się bezładnie w zamkniętych przestrzeniach obu cylindrów. Fantazja pozwala nam przypuścić, że pszczoły „bromowe“ są brązowe, a „wodorowe“ — bezbarwne. Z chwilą usunięcia przegrody dzielącej je, pszczoły brązowe wpadają pomiędzy bezbarwne i vice versa. Po pewnym czasie następuje całkowite zmieszanie, co też obserwujemy w opisanym doświadczeniu.
Żmudne i długie badania fizyków pozwoliły stwierdzić, że nie tylko cząsteczki perfum, wodoru i bromu, ale również i wszystkich innych gazów są w ciągłym, bezładnym ruchu, że zatem każdy gaz przypomina rój,, pszczół, poruszających się we wszystkich kierunkach. Podczas tego ruchu cząsteczki zderzają się ze sobą, przekazują sobie energię, pędzą dalej itd. Jeśli znajdują się w zamkniętym naczyniu, to uderzają w jego ścianki — wywołują ciśnienie. Intuicja każe nam przypuszczać, że ciśnienie to będzie tym wiesze, im więcej w ciągu jednej sekundy będzie uderzało cząsteczek i im większa będzie ich masa i prędkość. Doświadczenie i teoria potwierdzają to przypuszczenie w całej rozciągłości.
GDY Z PUSTEJ FILIŻANKI WYLEWA SIĘ PRZEZ 30.000 LAT…
Popatrz czytelniku na pustą filiżaneczkę po czarnej kawie, którą może przed chwilą wypiłeś, aby nie zasnąć przed doczytaniem tego artykułu do końca. Przede wszystkim zauważ, że nie jest ona pusta — zawiera niewidoczne dla oka powietrze. Oznacza to, że w filiżance po kawie cząsteczki tlenu, azotu, dwutlenku węgla, pary wodnej, wodoru i innych jeszcze gazów znajdujących się w powietrzu biegną tam i z powrotem, „obijają się“ o siebie i uderzają jednocześnie niemiłosiernie w twoją, czytelniku, rodową porcelanę. Może zaciekawi cię, ile jest ich tam razem. „Tylko“ około 1.000.000.000.000.000.000.000.
Gdyby w ciągu jednej sekundy uciekało z tej filiżanki 1.000.000.000 (miliard) cząsteczek i gdyby żadna nie wracała z powrotem, to do dopiero po czasie około 30.000 lat filiżanka byłaby naprawdę pusta.
Porównanie to obrazuje nie tylko wielką liczbę cząsteczek, lecz jednocześnie pozwala zorientować się, jak mała musi być poszczególna cząsteczka, jeśli wszystkie one mogą zmieścić się w tak małej przestrzeni i jeszcze poruszać się względnie swobodnie. Inny rachunek wykazuje bowiem, że średnia droga swobodna, tzn. średnia prostoliniowa droga przebyta przez cząsteczkę pomiędzy dwoma kolejnymi zderzeniami, wynosi około kilkunastu milionowych części centymetra. Nie jest to wcale mała droga, jeśli się zważy, że średnica cząsteczki traktowanej jako kulka jest rzędu jednej stomilionowej centymetra. Oznacza to, że średnio cząsteczka przebywa drogę pomiędzy dwoma kolejnymi zderzeniami blisko tysiąckrotnie większą od własnej średnicy. W przeliczeniu dla człowieka byłoby to około pół kilometra.
Liczba wzajemnych zderzeń, jakim podlega cząsteczka w ciągu jednej sekundy, wyraża się w miliardach i zależy podobnie zresztą jak droga od rodzaju cząsteczki. A prędkość cząsteczek? Ta jest różna nawet dla cząsteczek tego samego rodzaju. W danej chwili jedne poruszają się bardzo wolno, inne prędzej, a inne jeszcze bardzo prędko. Ale tych bardzo wolnych i bardzo prędkich jest stosunkowo bardzo niewiele. Najwięcej jest poruszających się z prędkościami pośrednimi. Te pośrednie prędkości są różne dla różnych gazów. W filiżance, na którą czytelniku — spoglądasz, cząsteczki wodoru poruszają się z szybkością około 1800 m/sek., cząsteczki tlenu i azotu ok. 500 m/sek., dwutlenku węgla ok. 400 m/sek. Szybkości cząsteczek wodoru nie osiągają zatem nawet samoloty rakietowe, a szybkość cząsteczek tlenu czy azotu jest większa od szybkości samolotów myśliwskich.