Но, как и почему происходит обмен теплом? И почему металлическая ложечка нагревается и остывает гораздо быстрее, чем пластиковая ложечка, которая почти не нагревается и не остывает?
Частички всех предметов имеют либо полностью закрытые внешние оболочки, либо не полностью закрытые. У металлов внешние оболочки не закрытые. Более того, у металлов совсем мало граней-лепесточков на внешних оболочках, поэтому им приходится скапливаться и плотно прижиматься друг к другу, чтобы закрыть своих внутренних поселенцев, которых напрягает близость открытого пространства. Вот почему, все, кроме одного (ртуть), металлы в обычных условиях твёрдые предметы.
А теперь представьте, что есть доска, на которой закреплены несколько вертушек. При чём настолько близко, что их лопасти перекрывают друг друга.
Если начать вращение первой вертушки, то она своими лопастями станет вращать вторую вертушку, вторая третью и так далее…
И наоборот, когда первая вертушка останавливается, то и следующие вертушки остановятся.
В металлах, вместо вот таких вертушек, не закреплённые грани-лепесточки, которые передают своё состояние соседним граням-лепесточкам, а те, в свою очередь, следующим, и так далее.
В других веществах, например, в пластике, таких не закреплённых граней-лепесточков нет, внешние оболочки полностью закрыты. Поэтому передача тепловых изменений проходит гораздо медленнее.
Итак, теперь мы знаем, что чем теплее вещество, тем больше пространства ему требуется потому, что расстояния между частичками увеличивается.
Так же больше пространства потребуется некоторым веществам, например льду, для построения кристаллов.
А если нас спросят, почему, когда в помещении жарко, становится душно, то мы теперь легко ответим: «Потому, что воздух нагрелся и ему потребовалось больше пространства и он расширился, а значит в помещении количество частичек, которыми мы дышим осталось меньше, вот и стало душно!»
Ну а если нас спросят, почему, тёплый воздух поднимается вверх, а холодный опускается вниз, то мы улыбнёмся и ответим, что мы пока ещё об этом не думали…
Так давайте, подумаем… Но, для начала, посмотрим воздействие частичек друг на друга… Представьте две частички воздуха летят навстречу друг другу. Поскольку частицы воздуха достаточно упругие, то мы можем их представить их как мячики.
Что произойдёт дальше? Вполне, очевидно! Они столкнутся…Так и есть!! Тумс…
Они сжались с боков, но они же упругие, и они снова должны принять форму мячиков!
Принимая форму мячиков, они отталкиваются друг от друга и …
… разлетаются в противоположных направлениях. Причём, если считать их совершенно упругими, то можно утверждать, что зелёный мячик полетел с бывшей скоростью розового мячика, а розовый мячик, соответственно, с бывшей скоростью зелёного мячика. Значит можно сказать, что при прямом столкновении упругие частички обмениваются скоростями.
А теперь давайте посмотрим, что произойдёт, если мячики летят в поперечном направлении друг к другу.
Тут следует рассмотреть целых три события. Во-первых, рассмотрим, что произойдёт если синий мячик ударит розовый мячик снизу.
Розовый мячик при этом не воздействовал на синий мячик, поэтому он сохранил свою скорость справа налево. Но синий мячик воздействовал на розовый и передал ему частично свою скорость снизу вверх, а сам, в результате упругости полетел с гораздо меньшей скоростью вниз.
Поэтому, после такого столкновения розовый мячик полетел и снизу вверх и справа налево. А синий мячик только медленно вниз.
Во-вторых, рассмотрим, что произойдёт если розовый мячик ударит синий мячик сбоку.
В этой ситуации синий мячик летел себе вверх, не воздействуя на другие мячики и должен сохранить свою скорость снизу вверх. А вот розовый мячик передаст часть своей скорости синему мячику, а сам, отпрянув, полетит очень медленно в обратном направлении, то есть, слева направо.
После такого столкновения синий мячик полетел одновременно и снизу вверх, как и летел, и справа налево, почти так, как летел розовый мячик. А сам розовый мячик сменил направление движения на противоположное, то есть, слева направо, причём с маленькой скоростью.
И, наконец, третья ситуация, как правило, смешанная. Значит, и синий мячик ударяет розовый мячик снизу, и розовый мячик ударяет синий мячик сбоку.
Можно предположить, что раз оба мячика воздействуют друг на друга, то они оба частично (можно предположить, что наполовину) передают свои скорости друг другу. Но только частично (наполовину)! А значит, что оба мячика частично (тоже на половину) сохранили свои скорости. И, поскольку они оба весьма упругие, то при восстановлении своей шарообразной формы, они слегка оттолкнулись друг от друга.
Ну да! Примерно так и получилось. После столкновения они полетели почти в одном направлении, лишь слегка разлетаясь.
Итак, мы рассмотрели прямое столкновение и поперечное столкновение. Но частички воздуха летают во всех направлениях и сталкиваются, тоже, всякими различными способами. Но теперь мы знаем, что при любом столкновении происходит (полная или частичная) передача скорости от одной частицы к другой частице. А также, возможно, (полное или частичное) сохранение скорости либо в одной, либо в другой частице. Но в любом случае, после столкновения обе частицы изменяют направление движения!
А теперь, представьте, что мячики наполовину сдутые. Ими не интересно играть, потому что они слабо отскакивают при ударе, и, вообще, плохо двигаются. Тоже самое происходит и с холодными частичками воздуха. При столкновении друг с другом они плохо отскакивают друг от друга, а значит требуют для себя меньше пространства. А это значит, что в той части пространства, где скапливаются холодные частички воздуха их становится больше. Чтобы взлететь высоко частичкам требуется быстрая скорость. А у холодных частичек скорости медленные, поэтому они и скапливаются внизу…
Теперь, мы можем определённо сказать, что холодный воздух тяжелее, чем тёплый воздух просто потому, что в пространстве холодного воздуха частичек воздуха гораздо больше, чем в пространстве тёплого воздуха.
Конечно же при столкновении происходит не только обмен скоростями, но и обмен теплом. Поэтому в закрытом помещении (без поступления нового воздуха) через некоторое (длительное) время все частички воздуха станут одинаково тёплыми и займут отведённое им пространство равномерно.
Пока мы говорили только о частичках. Это и понятно! Ведь все предметы, жидкости и даже воздух состоит из мельчайших частичек. И теперь, зная как взаимодействуют частички между собой, мы можем перенести наши знания на предметы, которые из этих частичек состоят.
Мы представляли частички в виде мячиков, а теперь, давайте посмотрим, как действует настоящий мячик, когда он, например, падает на пол…
Рассмотрим четыре момента. Сначала мячик просто падал. Потом он стукнулся об пол. Потом отпружинил. И затем, снова полетел вверх, но уже с меньшей скоростью. Если бы об пол ударился не мячик, а, например, клубок шерстяной пряжи, то он как плюхнулся, так бы и остался лежать на полу, ну, в лучшем случае, немного покатился бы. Но мячик то наполнен воздухом. Попробуем заглянуть, как бы, внутрь мячика…