Текст книги "Первоначала вещей (Очерк о строении вещества)"
Автор книги: Борис Кудрявцев
сообщить о нарушении
Текущая страница: 4 (всего у книги 8 страниц)
II
НА ПУТИ К ПОРЯДКУ
Колыбель жизни
В далекие времена, когда на Земле не было еще ни растений, ни животных, ее поверхность почти сплошь покрывали первичные моря и океаны. Именно в их теплых водах происходило образование сложных органических веществ, приведших к возникновению жизни на Земле.
Видя на каждом шагу, какую огромную роль играет вода в жизни природы и человека, древние народы обожествляли воду.
Значение воды действительно огромно. Она обеспечивает плодородие почвы: участвует в самом процессе ее образования, несет питательные вещества растениям, делает возможным протекание сложных физико-химических и микробиологических процессов, с которыми связана жизнь растений.
Всем известно, каким бедствием для сельского хозяйства может явиться засуха.
В наше время водою покрыто более семи десятых поверхности Земли, что составляет 361 миллион квадратных километров. Если бы всю воду морей и океанов равномерно распределить по поверхности Земли, то она покрыла бы Землю слоем почти в четыре километра толщиною.
Ежегодно с поверхности морей и суши испаряется 511 тысяч кубических километров воды! Попав в более высокие части атмосферы, эта огромная масса водяных паров вновь превращается в воду и падает на Землю в виде дождя, снега или града.
В вечном круговороте вода изменяет облик Земли. Спускающиеся с гор ледники вырывают на склонах глубокие долины и несут в океан огромные камни, куски скал…
Речные потоки ежегодно уносят в моря и океаны около 16 миллиардов тонн твердых материалов или в виде камней, различных обломков, или же в виде растворенных веществ. Попробуйте погрузить все это в товарные вагоны, и вы получите поезд, который тридцать раз опояшет земной экватор.
Унесенные реками обломки камней, песок, глина и прочее оседают на дно и дают начало образованию новых горных пород.
Не будет преувеличением, если мы скажем, что вода – главный природный фактор, определяющий геологические процессы, протекающие на Земле.
И человеческий организм и организм животного больше чем наполовину состоят из воды. Это может показаться неожиданным, но это так. Если животное потеряет всего от одной десятой до одной пятой части той воды, которая содержится в его организме, оно погибнет. Человек может прожить больше месяца без пищи, но умирает через несколько дней без воды.
Огромна роль воды в технике. Это она, превращенная в пар, заставляет работать паровые машины, турбины электростанций; это она, двигаясь по отопительным трубам, несет тепло в наше жилище; это она в виде быстрой струи помогает извлекать торф, намывает плотины; это она необходимый спутник самых разнообразных химических процессов.
Велика роль в жизни человека и других жидкостей. В химической промышленности в подавляющем большинстве случаев приходится иметь дело с жидкостями. Различные сорта нефти, бензины, масла, спирты, кислоты и многие другие вещества, с которыми встречается в своей практике химик, – жидкости.
Еще алхимики, как бы подводя итог своим бесчисленным опытам, утверждали, что «тела не действуют, если они не растворены».
Каково же строение жидкостей, чем их свойства отличаются от свойств газов и как объяснить особенности жидкостей, опираясь на учение об атомах?
Двуликий Янус
На старинных римских монетах можно встретить странное изображение – человеческую голову с двумя смотрящими в противоположные стороны лицами. Это языческий бог – двуликий Янус. Если один лик Януса обращен направо, то второй смотрит налево.
По своим свойствам жидкости напоминают это забытое божество. Если одни свойства их сходны со свойствами газов, то другие – со свойствами твердых тел.
Промежуточное положение, которое занимают жидкости между газами и твердыми телами, сильно затрудняет объяснение особенностей их атомного строения.
Те свойства, которые общи жидкостям и газам, скорее бросаются в глаза человеку, нежели те, которые указывают на родство жидкостей и твердых тел.
Особенно большое впечатление производит общая газам и жидкостям подвижность их частиц друг относительно друга.
Махните рукой!
Вы почти не ощущаете сопротивления воздуха.
Проведите рукой в воде!
Сопротивление более ощутимо, но все же рука свободно движется, увлекая за собой частицы воды. В этом отношении вода напоминает очень плотный газ и вовсе не похожа на твердое тело.
Кроме того, у жидкости, как и у газа, свойства одинаковы в любом направлении. Так, например, жидкость преломляет световой луч одинаково, вне зависимости от того, как он падает на ее поверхность. Иначе ведет себя кристаллическое твердое тело: преломление луча в нем зависит от того, как луч направлен.
И, наконец, как мы уже знаем, постепенно сжимая газ, его можно превратить в жидкость плавно, без скачкообразного изменения свойств вещества.
Все это, казалось бы, говорит о том, что жидкость можно считать очень сильно сжатым газом.
Не будем, однако, торопиться с выводами и продолжим сравнение свойств жидкостей, газов и твердых тел.
Каждый, кто хоть раз играл в футбол, знает, что перед началом игры кто-нибудь из футболистов проверяет, хорошо ли накачан мяч. Если мяч мягкий, в него насосом дополнительно накачивают воздух. Это можно сделать только потому, что воздух, как и другие газы, легко сжимается.
Совсем иначе ведут себя жидкости: они практически несжимаемы и в этом отношении гораздо больше походят на твердые тела, чем на газы.
Однажды был произведен такой опыт: в стальной сосуд налили ртуть и очень сильно сжали. На поверхности сосуда при этом появились мельчайшие капельки ртути, которая просочилась через толщу металла. Вот как велико было сопротивление ртути сжатию!
Рис. 18. Для того чтобы сжать воду в стакане только на 4 процента, на нее нужно давить с силой в несколько десятков тонн.
Сходно ведут себя и другие жидкости. Чтобы, сжимая, уменьшить объем воды всего на 4 процента, ее надо подвергнуть давлению приблизительно в тысячу атмосфер.
Именно поэтому водой пользуются при испытании прочности водопроводных труб, артиллерийских снарядов, баллонов для сжатых газов и т. п. Испытуемый снаряд или баллон наполняют водой и, увеличивая давление, следят за тем, не образуется ли трещина, не появится ли на поверхности вода…
Если сравнивать различные тела по их сжимаемости, то жидкости надо было бы отнести в одну группу с твердыми телами, а не с газами.
К тому же заключению о сходстве твердых и жидких тел приводит сравнение их плотности.
Плотность различных веществ в газообразном состоянии обычно в тысячи раз меньше, чем их плотность в жидком состоянии. Другими словами, при испарении объем, занимаемый веществом, увеличивается в тысячи раз.
Иная картина наблюдается при плавлении, то-есть при превращении твердого тела в жидкость. Увеличение объема при этом невелико, оно составляет приблизительно десятую часть объема, занимаемого твердым телом.
В некоторых, правда немногочисленных, случаях при плавлении объем, занимаемый телом, даже уменьшается, так что плотность жидкости оказывается большей, чем плотность твердого тела. К таким необычным по изменению плотности веществам относятся вода, чугун, висмут.
Раз объем тел при плавлении изменяется незначительно, незначительно изменяются и расстояния между молекулами, а следовательно, и силы, действующие между ними.
Можно предположить поэтому, что движение мельчайших частиц вещества в жидкостях напоминает движение частиц в твердых телах, а не в газах. Это предположение нетрудно проверить. От характера движения частиц зависит теплоемкость вещества. Сравнив теплоемкость жидких и твердых тел, ученые убедились в том, что они действительно близки друг к другу, то-есть что движение мельчайших частиц жидкости напоминает движение атомов твердых тел, а не молекул газов.
Мы видим, что поступили правильно, не сделав поспешного вывода о родстве жидкостей и газов.
Если подвижность частиц и одинаковость свойств во всех направлениях роднят жидкости с газами, то плотность, теплоемкость и малая сжимаемость их указывают на сходство жидкостей и твердых тел.
Заметим, что если жидкость заставить быстро изменять форму, то она приобретает еще одну черту, роднящую ее с твердыми телами, а именно – делается хрупкой.
Мы привыкли к тому, что быть хрупкими, то-есть способными разламываться, могут только твердые тела. Оказывается, это неверно: при очень быстром ударе жидкость разламывается, как хрупкое твердое тело.
На рисунке 19 вы видите струю очень вязкой жидкости, которую пересекает медленно движущаяся палочка.
Рис. 19. При медленном движении палочки струя вязкой жидкости изгибается.
Видно, как под давлением палочки струя изогнулась, в следующее мгновение она разорвется – палочка ее пересечет. Не то будет, если палочка ударит по струе достаточно быстро. В этом случае (рис. 20) струя разломается, как если бы она была сделана из стекла.
Рис. 20. При быстром ударе струя разламывается, как хрупкое тело.
На рисунке хорошо видны «осколки» жидкости, отброшенные при ударе.
Итак, мы убедились в том, что привычная нам текучесть жидкостей не является непреодолимым барьером между жидкостями и твердыми телами. При определенных условиях жидкость может быть хрупкой.
Чему же отдать предпочтение? Если на одну чашку весов положить свойства, роднящие жидкости с твердыми телами, а на другую – роднящие с газами, какая из чашек перетянет?
Оказывается, что ответить на этот вопрос нельзя, и вот почему.
Свойства жидкости сильно изменяются при изменении температуры. При низкой температуре, близкой к той, при которой жидкость затвердевает, свойства жидкости ближе к свойствам твердого тела. По мере же повышения температуры жидкость все более походит на газ, поведение мельчайших частиц, образующих жидкость, приближается к поведению молекул газа.
Кочующие маятнички
Каково же молекулярное строение жидкости?
Молекулы газа или пара движутся по причудливо изломанным линиям. Отдельные участочки этих линий много больше размеров самих молекул.
В жидкости положение иное.
Молекулы жидкости располагаются очень близко друг к другу. Поэтому их движение напоминает скорее дрожание, при котором они только незначительно смещаются, постоянно возвращаемые назад ударами соседних молекул. Сравнительно редко какой-нибудь молекуле удается вырваться из тесного окружения своих соседей. Большую же часть времени она движется как бы в клеточке, стенки которой образуют ближайшие к ней частицы.
Движение молекулы в этой ячейке напоминает движение маятника стенных часов-ходиков. Такое движение называют колебательным.
Имеется, однако, существенное отличие колебаний, совершаемых маятником часов, от колебаний молекул жидкости. При колебании маятника подвес его остается неподвижным и только диск отклоняется попеременно то вправо, то влево. Уподобляя движения молекулы жидкости колебаниям маятника, необходимо предположить, что и подвес маятника, вместо «оседлого» образа жизни, то и дело кочует с одного места на другое. В течение периода «оседлой жизни» молекула колеблется внутри ячейки. В период «кочевья» она перебирается в соседнюю ячейку. За время, которое частица проводит в какой-либо ячейке, она успевает совершить большое число колебаний.
Однако если температура жидкости будет увеличиваться, молекулы станут все чаще и чаще кочевать из одной ячейки в другую. Тем самым время их «оседлой жизни» уменьшится, и сам характер движения будет все более напоминать движение молекул газа.
Почему же поверхность спокойной жидкости представляется нам неподвижной, почему мы не замечаем непрерывного дрожания молекул?
Еще Ломоносов в одном из своих сочинений писал: «Ведь нельзя отрицать существование движения там, где его не видно: кто, в самом деле, будет отрицать, что когда через лес проносится сильный ветер, то листья и сучки дерев колышутся, хотя бы при рассматривании издали глаз не видел движения. Точно так же, как здесь вследствие расстояния, так и в теплых телах вследствие малости частиц движущейся материи, колебание ускользает от взора».
И в самом деле. Посмотрите на лезвие безопасной бритвы. Каким ровным и гладким оно нам представляется. А теперь взгляните на рисунок 21.
На нем изображен маленький участок того же лезвия, каким он виден в электронный микроскоп. А ведь обычные по своим размерам молекулы и в электронный микроскоп не видны. Неудивительно, что тепловое движение молекул нельзя увидеть.
Рис. 21. Так выглядит маленький участок лезвия безопасной бритвы под электронным микроскопом.
Какую же скорость имеют молекулы жидкости?
Оказывается, что средняя скорость теплового движения молекул жидкости такая же, как и у газа, молекулы которого имеют тот же вес, взятого при той же температуре. И так же, как и у газов, у жидкостей скорость беспорядочного движения молекул растет с ростом температуры.
Таким образом, тепловое движение молекул жидкости, особенно при высокой температуре, имеет черты сходства с движением молекул газа, не исключающие, однако, существенного различия. Это различие еще более усугубится, если учесть, что полная беспорядочность в расположении молекул, характеризующая газ, сменяется у жидкостей некоторой упорядоченностью. Если мысленно выделить, отметить каким-либо способом одну из молекул жидкости, то окажется, что ближайшая к ней молекула будет всегда находиться на совершенно определенном расстоянии от нее и это расстояние одинаково для всех окружающих ее молекул.
Это уже элемент порядка!
Примечательно, что упорядоченность в расположении частиц жидкости ограничивается только ближайшим окружением выбранной молекулы. Положение молекул, следующих за ближайшими соседями отмеченной молекулы, уже не будет так точно определенно, как положение ее непосредственных соседей.
Здесь возможны некоторые отступления: в одном опыте вторая молекула встретится ближе, в другом дальше, чем ей надлежало бы быть. Еще менее определенно положение третьей молекулы. По мере удаления от исходной молекулы порядок в расположении частиц быстро исчезает. Про жидкость говорят, что в ней существует ближний порядок в расположении молекул.
Может возникнуть вопрос: каким образом упорядоченное расположение частиц вблизи любой произвольно выбранной молекулы сочетается с хаотичным расположением вдали от нее? Ведь казалось бы, что, переходя от выбранной молекулы к соседней, а от той к следующей и продолжая подобный переход все дальше и дальше, можно пройти через всю жидкость. И если всякий раз вблизи молекулы будет наблюдаться упорядоченное расположение ее соседей, то как будто бы эта упорядоченность должна охватывать всю жидкость. Но в действительности это не так. Понять это помогает рисунок 22, на котором показано, как можно представить себе расположение молекул в жидкости.
Рис. 22. В жидкости сохраняется только ближний порядок в расположении молекул.
Всякий раз, когда мы измеряем расстояние между двумя соседними молекулами, оно оказывается одним и тем же. Однако если соединить две соседние молекулы прямой линией и продолжить ее в обе стороны, то станет ясно, что, двигаясь вдоль намеченного направления, мы будем встречать следующие за ближайшими соседями молекулы, в зависимости от случая, на самых различных расстояниях от исходной.
И все же, взглянув на рисунок, никто не скажет, что в изображенном расположении молекул-шариков порядок вообще отсутствует. Конечно, приведенный рисунок не является точным изображением истинного расположения молекул жидкости, а представляет собой только схему, поясняющую мысль.
Понять свойства жидкости можно лишь в том случае, если постоянно держать в уме еще одну важную особенность их молекулярного строения.
Неощутимое давление
Благодаря тому, что молекулы жидкости расположены очень близко друг к другу, каждая из них с большой силой притягивается окружающими. Если молекулы газа можно уподобить рою мошек, в котором любая движется независимо от своих соседей, то молекулы жидкости следовало бы сравнить с пчелиным роем, севшим на ветку. В севшем рое каждая пчелка крепко держится ножками за ближайшую соседку, та, в свою очередь, за свою соседку, и так весь рой оказывается связанным, несмотря на то, что форма его непрерывно изменяется. Подобным же образом связаны между собой все молекулы жидкости.
Силы молекулярного притяжения так быстро убывают при увеличении расстояния между молекулами, что, по существу, любая из них связана только со своими ближайшими соседями. Вокруг молекулы существует некоторая область, внутри которой проявляется молекулярное притяжение (рис. 23), и можно без особенно большой ошибки предположить, что молекулы, лежащие за границей этой области, уже не испытывают притяжения со стороны молекулы, расположенной в ее центре.
Рис. 23. Сфера молекулярного действия.
Очевидно, что молекулы, находящиеся в толще жидкости, притягиваются соседними с одинаковой силой во всех направлениях. Благодаря этому силы притяжения взаимно уравновешиваются и никак не сказываются на поведении молекул.
Иначе будет обстоять дело у молекул, лежащих вблизи поверхности. Для них область, в которой сказывается взаимное притяжение, будет частично заполнена жидкостью, а частично – паром (рис. 24).
Рис. 24. Молекулы в поверхностном слое жидкости.
В каком-либо объеме жидкости молекул в тысячи раз больше, чем в таком же объеме пара, и поэтому силы молекулярного притяжения не могут в этом случае быть уравновешены. Сила, действующая со стороны той части, которая заполнена жидкостью, гораздо больше противоположной ей, направленной в сторону пара. В результате прилегающий к поверхности слой будет с большой силой притягиваться молекулами, лежащими в глубине жидкости. Это равносильно добавочному давлению, как бы оказываемому поверхностным слоем на жидкость. Можно даже подсчитать, какое нужно было бы приложить давление, чтобы удержать молекулы жидкости в занимаемом ими объеме, если бы внезапно они перестали притягивать друг друга. Результат этих расчетов многим покажется удивительным. Молекулярное притяжение частиц воды равносильно добавочному давлению в 17 000 атмосфер. Для сравнения укажем, что такое давление оказывает столб воды высотою 170 километров.
Давление, вызванное притяжением частиц, называют молекулярным давлением.
Невольно возникает вопрос: почему такие большие давления как будто никак не проявляются? Почему мы можем опустить руку в воду, не опасаясь, что она будет мгновенно раздавлена? Понять это помогает рисунок 25.
Рис. 25. Молекулярное давление всегда направлено в глубину жидкости и уравновешивается взаимным отталкиванием частиц.
Молекулярное давление всегда направлено от поверхности жидкости в ее глубину и уравновешивается взаимным отталкиванием частиц. Поэтому, какой бы предмет ни погрузить в жидкость, молекулярное давление не будет на нем сказываться. Чтобы почувствовать присутствие молекулярного давления, надо изменить расстояние между молекулами, например уменьшить объем жидкости – сжать ее.
Теперь ясно и то, почему так трудно сжать жидкость, – она и в обычном состоянии уже очень сильно сжата взаимным притяжением частиц.
Можно продемонстрировать притяжение молекул еще более убедительно. Жидкость оказывает большое сопротивление попыткам ее разорвать. В этом сопротивлении разрыву жидкости наглядно проявляются силы сцепления молекул.
Особенно просто это можно показать с помощью прибора, изображенного на рисунке 26.
Рис. 26. Прибор для определения сопротивления жидкости разрыву.
Основной частью его является особая упругая трубка, называемая сильфоном. Сильфон заполняется жидкостью и закрывается имеющимся внизу игольчатым затвором. Верхний конец прибора закрепляется. Постепенно увеличивая вес гирь на чашке, подвешенной к нижней части прибора, жидкость растягивают до тех пор, пока она не разорвется. Разрыв жидкости легко заметить по характерному щелчку, которым он сопровождается.
Как оказалось, столбик воды, имеющий в поперечнике 5 сантиметров, может выдержать нагрузку в 5 тонн, то-есть на таком столбике можно подвесить нагруженный мощный автомобиль «ГАЗ-51» (рис. 27).
Рис. 27. Столбик воды, имеющий в поперечнике 5 сантиметров, выдерживает нагрузку в 5 тонн.
Хотя цифры, получаемые при подобных опытах, и очень велики, они все же меньше истинной прочности жидкостей. Причиной тому мельчайшие пузырьки воздуха, всегда присутствующие в жидкостях. Эти пузырьки так же уменьшают прочность жидкости, как трещинки или пустоты в металлических деталях.
Взаимное притяжение частиц жидкости вызывает не только появление молекулярного давления, – им объясняются многие другие свойства жидкости и в первую очередь особенности жидкой поверхности.
