Иногда самыми запутанными вещами являются те, с которыми мы сталкиваемся каждый день. Например, что это за странные точки на вашем лобовом стекле? Почему розовая соль стоит дороже обычной? Действительно ли можно что-то сделать, если подуть на суп?
И вот ещё одна загадка, о которой вы, наверное, задумывались в каждый холодный день, начиная с шестилетнего возраста. Почему металл на ощупь намного холоднее дерева, по крайней мере, в прохладный день? Почему пирог на ощупь не такой горячий, как в форме для выпечки, в которой он был приготовлен? Как, черт возьми, этот парень умудряется держать раскаленный кубик голыми руками??
Ответ довольно прост — но для его понимания нужно немного подумать нестандартно. Оказывается, вы не так объективны, как думаете.
Почему металл кажется холоднее дерева или пластика?
Представьте, что вы на улице, и перед вами и дерево, и уличный фонарь. Теоретически они должны быть одинаковой температуры, верно? Они оба находятся на улице, в одном и том же месте; ни то, ни другое только что не достали из духовки или чего-то подобного. И все же мы почти инстинктивно понимаем, что уличный фонарь будет казаться холоднее на ощупь, чем дерево. Так что же происходит?
Что ж, ключ к разгадке кроется в самой фразе: «Кажется, что стало холоднее». Но, как это ни парадоксально, холоднее не буквально.
«Когда вы касаетесь чего-то, вы не чувствуете температуру, — объяснил Дерек Маллер (Derek Muller) в видео 2012 года на своем YouTube-канале «Veritasium». — Вы чувствуете скорость, с которой тепло передается, либо к вам, либо от вас.»
Другими словами: «Речь идет о теплопроводности».
Чтобы проиллюстрировать эту концепцию, он предложил людям сравнить температуру книги и жесткого диска — предметов, которые, как он подтвердил с помощью инфракрасного термометра, имели одинаковую температуру. Как и следовало ожидать, все, кого он спросил, решили, что книга теплее — некоторые даже обвинили его во лжи, когда он раскрыл правду.
Однако наука в этом случае говорит правду.
«Жесткий диск казался холоднее, хотя его температура была примерно такой же, как у книги, — объяснил Маллер. — И всё потому, что алюминий быстрее отводит тепло от вашей руки, чем книга.»
«Это делает жесткий диск холоднее на ощупь, а книгу — теплее.»
Но вот что может вас удивить: то же самое работает и в обратном направлении. Другими словами, если два объекта теплее вашего тела, металл будет казаться горячее, даже если материалы имеют одинаковую температуру.
На самом деле, это довольно очевидно, не так ли? Если вы, например, когда-нибудь пекли торт, то наверняка заметили, что форма для выпечки кажется горячее, чем сам торт внутри. Это снова происходит потому, что металл намного лучше проводит тепло, чем сам торт, и передает теплоту в вашу руку гораздо эффективнее. Но это может привести к неожиданным результатам — как показал Маллер в эксперименте с блоком пластика, алюминиевым блоком и двумя кубиками льда.
«Я положу по кубику льда на обе тарелки. Что мы увидим?» — спросил он добровольцев, и все они сказали ему, что алюминий на ощупь холоднее пластика.
Неудивительно, что они интуитивно решили, что лед на «холодном» алюминиевом блоке останется твердым, тогда как кубик на «теплом» пластиковом блоке расплавится.
Однако произошло прямо противоположное.
Почему?
«Алюминиевый блок плавит лед быстрее, чем пластиковый, потому что он проводит тепло к кубику льда быстрее», — объяснил Маллер. «Пластик […] — плохой проводник тепла. Тепло передается к ледяной пластине медленнее, поэтому она остается холодной.»
Почему металл так хорошо проводит тепло?
Итак, мы разобрались, почему металл может казаться гораздо холоднее или горячее других материалов одинаковой температуры — это потому, что металл обычно намного лучше проводит тепло. Но что именно в металле дает ему это свойство?
Чтобы ответить на эти вопросы, полезно понять, что такое «теплопроводность». Видите ли, если рассматривать это на более высоком уровне, тепло — это просто способ описания движения:
«Когда материал поглощает теплоту, эта энергия превращается в кинетическую, заставляя атомы двигаться», — объясняет Xometry.
«Но так как атомы в твердых веществах не имеют много места для движения, они начинают вибрировать, а те, которые непосредственно подвергаются воздействию тепла, начинают сталкиваться с соседями, — продолжает статья. — Эти столкновения возбуждают соседей, и они тоже начинают вибрировать. Когда этот процесс продолжается, тепло движется от горячей части материала к холодной. Это похоже на волну, которая распространяется от камешка, упавшего в воду.»
Теперь подумайте об этом некоторое время, и вы начнете понимать, что металл имеет несколько преимуществ по сравнению, например, с деревом, когда речь идет о теплопроводности. Атомы и молекулы в металле более плотно упакованы, чем в дереве, что делает столкновение частиц друг с другом намного проще. В то же время в дереве буквально есть отверстия — полезные для перемещения воды и питательных веществ от корней, но не очень полезные для создания непрерывной цепочки вибрирующих молекул.
Кроме того, то, что древесина является композитным материалом, также влияет на её низкую проводимость — она состоит из целлюлозы, гемицеллюлозы, лигнина и танинов, которые, в свою очередь, распадаются на различные элементы в разных пропорциях в зависимости от дерева, из которого она получена. Когда частицы сталкиваются с этими изменениями, они рассеиваются и отклоняются от своего пути — по сути, это разжижает теплопроводность материала.
Но что действительно дает металлу преимущество перед, скажем, пластиком — материалом, который тоже может иметь регулярную и плотно упакованную молекулярную структуру, но при этом имеет относительно низкую теплопроводность, — так это его свободные электроны.
«Некоторые электроны в металле могут покидать свои атомы и двигаться по металлу как свободные электроны, — объясняет BBC Bitesize. — Части атомов металла, оставшиеся позади, теперь заряжены положительно и называются металлами-ионов.»
«Когда свободные электроны поглощают тепловую энергию, они начинают двигаться гораздо быстрее, — продолжают они. — Когда они движутся через металл, свободные электроны сталкиваются с металлами-ионов. Часть кинетической энергии свободного электрона поглощается ионами, и те начинают вибрировать быстрее и с большей амплитудой.»
Чтобы представить это на более наглядном примере, представьте себе толпу людей, едущих в переполненном метро. Они, конечно же, взаимодействуют между собой, но в целом потребуется довольно сильный толчок, чтобы они начали сталкиваться друг с другом. Они — это наши молекулы материалов.
Теперь представьте, что каждый из них пытается поймать несколько мячей для пинг-понга.
Сразу становится ясно, что количество их столкновений увеличится — и то же самое происходит, когда в систему вводятся свободные электроны.
Вывод: теплопроводность в материалах с свободными электронами — то есть в металлах — «значительно быстрее, чем проводимость, вызванная лишь передачей вибраций от атома к атому», объясняет Bitesize. «Следовательно, проводимость в металлах быстрее, чем в неметаллах».
Короче говоря…
Итак, подведем итог: почему металлы кажутся холоднее, чем неметаллы? Это потому, что на самом деле вы вообще не ощущаете температуру – скорее, вы чувствуете, насколько хорошо материал отводит тепловую энергию от вашего тела. И металл, благодаря своему особому молекулярному составу, действительно очень хорошо с этим справляется.
