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.

Leave a Comment

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *