Текст книги "Первоначала вещей (Очерк о строении вещества)"
Автор книги: Борис Кудрявцев
сообщить о нарушении
Текущая страница: 5 (всего у книги 8 страниц)
Невидимая пленка
Молекулы жидкости, лежащие вблизи ее поверхности, притягиваются не только теми, которые расположены ниже их, но и своими соседями справа и слева. Поэтому поверхность жидкости оказывается как бы покрытой тончайшей натянутой пленкой. В существовании этой пленки легко убедиться. Налейте в чайный стакан воды до самого края, а затем осторожно прилейте еще немного. При некоторой сноровке можно добиться, чтобы жидкость выступала над краями стакана (рис. 28).
Рис. 28. Поверхностная пленка не дает воде перелиться через край стакана.
Что же удерживает жидкость и не дает ей перелиться через края? Ее удерживает поверхностная пленка, образованная притягивающимися друг к другу молекулами.
Можно проделать и такой опыт: возьмите небольшую стеклянную трубочку, засосите в нее воды и, закрыв верхний конец трубочки пальцем, приподнимите ее. Убрав палец, дайте возможность образоваться капле и вновь закройте трубочку. Почему образовавшаяся капля не отрывается? (Рис. 29).
Рис. 29. Висящую каплю удерживает поверхностная пленка.
Можно подумать, что капле мешает оторваться атмосферное давление. Но это неверно. Если увеличить размеры капли, она оторвется. Капля удерживается той же поверхностной пленкой, которая не давала воде переливаться через край стакана.
Этот опыт позволяет измерить ту силу, которая действует в поверхностном слое жидкости. Капля оторвется тогда, когда ее вес сравняется с силой, удерживающей ее. Вес капли легко определить: накапав в стакан 10 или 20 капель и взвесив его, найдем вес жидкости, а разделив полученную величину на число капель, вычислим и вес отдельной капли.
Найденная сила распределяется равномерно вдоль линии, по которой капля присоединяется к трубочке, то-есть вдоль окружности последней. Поэтому, если мы хотим охарактеризовать силу, действующую в поверхностном слое жидкости, надо еще полученную величину разделить на длину окружности поперечного сечения трубочки. Так удается определить то, что называют коэффициентом поверхностного натяжения, а часто просто поверхностным натяжением жидкости.
Коэффициент поверхностного натяжения жидкостей – небольшая величина. Она измеряется числом дин на один сантиметр. Дина – единица силы, приблизительно равная весу комара, а точнее – одной девятьсот восьмидесятой части грамма.
Поверхностная пленка жидкости стремится сократиться. Согните проволочку в виде буквы П и укрепите на ее ножках подвижную перекладинку (рис. 30).
Рис. 30. Мыльные пленки.
Затем приготовьте мыльный раствор, такой же, какой употребляется для выдувания мыльных пузырей, опустите в него сделанный приборчик, а затем выньте его. Мыльная пленка сейчас же подтянет подвижную перекладинку к вершине буквы П. Взяв осторожно перекладинку за края, можно оттянуть ее вниз, но стоит только отпустить перекладинку, как она сейчас же подтянется к вершине. Подтягивает перекладинку стремящаяся сократиться поверхностная пленка. Если опустить в мыльный раствор прополочный каркасик, а затем вынуть его, то на нем возникнет тонкая пленочка. Придавая каркасику различную форму, можно получить очень причудливые пленки.
Форма возникшей пленки всегда удовлетворяет одному правилу: из всех возможных в данных условиях пленок возникает та, у которой самая малая поверхность.
Вы, наверно, замечали, что маленькие капельки имеют форму шариков, и это неспроста. Шару присуще замечательное свойство: при заданном объеме, или, что то же самое, при заданном количестве вещества, шар является телом с наименьшей поверхностью.
Таким образом, форма капелек вызвана опять-таки стремлением поверхности жидкости сделаться возможно меньше. Этим же объясняется подъем или опускание жидкости в тоненьких трубочках, называемых капиллярами.
Когда трубочку погружают в жидкость, в местах соприкосновения жидкости со стенками трубочки частицы твердого тела приходят во взаимодействие с частицами жидкости. Если взаимодействие молекул жидкости с частицами твердого тела больше, чем взаимодействие молекул жидкости между собой, то говорят, что жидкость смачивает твердое тело, если же меньше – не смачивает.
В узкой трубочке поверхность смачивающей жидкости будет вогнутой (рис. 31), несмачивающей – выпуклой (рис. 32).
Рис. 31. Смачивающая жидкость в капилляре.
Рис. 32. Несмачивающая жидкость в капилляре.
И вогнутая и выпуклая поверхности стремятся сократиться. Сокращаясь, вогнутая поверхность подтягивает жидкость кверху и делается плоской. Однако в силу взаимодействия частиц жидкости и твердого тела поверхность жидкости не может быть плоской, – она снова сделается вогнутой. Вогнутая поверхность вновь сократится и вновь подтянет за собой жидкость. Жидкость начнет подниматься вверх по трубочке.
Когда же этот подъем остановится?
Ответить на этот вопрос несложно, ведь подтянутый в трубочке столбик жидкости висит, поддерживаемый натяжением поверхностной пленки. Совершенно ясно, что подъем прекратится тогда, когда сила, стремящаяся сократить пленку, уравновесится весом поднятого столбика жидкости. Так как вес столбика будет меньше в тонких трубочках, то в них жидкость будет подниматься выше, чем в толстых. В стеклянной трубочке диаметром в один миллиметр вода поднимается всего на 3 сантиметра; диаметром в одну десятую миллиметра – на 30 сантиметров, а в очень тонкой трубочке, диаметр которой составляет одну тысячную часть миллиметра, вода поднимется уже на 30 метров. Этим можно воспользоваться для определения диаметра тонких стеклянных трубочек. В самом деле, достаточно опустить трубочку в воду и измерить, насколько в ней вода будет возвышаться над уровнем воды в широком сосуде, для того чтобы определить диаметр трубочки, не производя никаких других измерений.
Взгляните на рисунок 33.
Рис. 33. График для определения диаметра капилляра.
На нем вдоль горизонтальной линии отложена высота подъема воды. Отметив наблюдаемый подъем, надо провести вертикально вверх линию до пересечения с изображенной на рисунке кривой. Из точки пересечения этих линий проводят горизонтальную линию до пересечения с линейкой, по которой и узнают диаметр трубочки.
Сокращение выпуклой поверхности будет вызывать понижение уровня жидкости в узкой трубочке по сравнению с уровнем жидкости в широком сосуде.
В узкой трубочке уровень несмачивающей жидкости будет располагаться ниже, чем в широком сосуде.
Подъем жидкости в тонких трубочках, или, как его называют, капиллярный подъем, играет большую роль в природе. Особенно велико значение капиллярного подъема в водном режиме почвы. Когда идет дождь, почва увлажняется; однако значительная часть влаги сразу же уходит вглубь, до уровня грунтовых вод. Выше этого уровня важную роль в удержании влаги играет капиллярное поднятие воды. Вода удерживается в порах, образованных отдельными частицами почвы, теми же силами, которые удерживают воду в узких трубочках. Чем тоньше поры, тем выше поднимется вода в почве. В песках высота подъема воды невелика – всего несколько десятков сантиметров. Наибольший подъем наблюдается в суглинистых и глинистых почвах, где он достигает 2–3 метров.
Все эти явления имеют большое значение для сельского хозяйства, – их обязательно надо учитывать при орошаемом земледелии. При неправильном орошении грунтовые воды могут подняться до высоты, соответствующей высоте капиллярного подъема воды. В этом случае восходящий ток воды в порах достигнет поверхности почвы, и если вода содержит растворенные соли, то она вынесет их на поверхность. В жаркое и сухое время, когда вода быстро испаряется, в почве может накопиться большое количество солей: почва засолится.
Силы поверхностного натяжения очень малы, и можно подумать, что в технике и промышленности, где дело имеют с большими силами, о поверхностном натяжении не следует и вспоминать.
Практика показала, что это не так.
Начало нашего века ознаменовалось постройкой первых пловучих городов – гигантских океанских пароходов. Когда эти корабли были спущены на воду, инженеры столкнулись с неожиданным затруднением: по неизвестной причине гребные винты кораблей приходили в полную негодность, проработав всего несколько часов. Сходные разрушения наблюдались у лопаток мощных гидротурбин.
Несколько лет понадобилось ученым, чтобы найти причину загадочных разрушений. Внимательно изучив работу винта, они установили, что в разрушении металла повинны мельчайшие пузырьки, возникающие в воде при вращении винта. Поверхностная пленка этих пузырьков стремится сократиться, так что пузырьки существуют недолго, – возникнув, они быстро захлопываются и исчезают. Натяжение поверхностной пленки пузырька создает внутри него добавочное давление. Когда пузырек велик, давление мало, но по мере уменьшения пузырька оно возрастает. Что это действительно так, легко доказать: возьмите две стеклянные трубочки, выдуйте на одном из концов каждой из них по мыльному пузырю и соедините вместе свободные их концы резиновой трубочкой (рис. 34).
Рис. 34. Давление пленки меньшего пузырька заставляет его сокращаться, перегоняя воздух в больший пузырь.
Спустя несколько мгновений вы заметите, как меньший из мыльных пузырей начнет сокращаться, перегоняя воздух, заключенный в нем, в большой пузырь. Иногда даже больший пузырь не выдерживает этого и лопается. Это убеждает нас в том, что действительно, чем меньше пузырьки, тем больше в них давление.
Как показывает расчет, при захлопывании микроскопических пузырьков, образующихся в воде, в них возникают огромные давления в тысячи атмосфер.
Под действием такого большого давления стенки пузырьков сокращаются с большой скоростью, и захлопывание пузырьков действует подобно микроскопическим ударам, разрушающим поверхность металла.
При вращении гребного винта или лопастей гидротурбины в жидкости возникает целое облако пузырьков. Поверхность металла оказывается под непрерывным градом ударов жидкости. Сильные и частые удары жидкости являются, несомненно, одной из причин того, что даже прочные материалы быстро разрушаются (рис. 35).
Рис. 35. Разрушение гребного винта, вызванное захлопыванием образующихся в жидкости пузырьков.
Чудесные вещества
При желании поверхностное натяжение жидкости можно изменить. Этого удается достигнуть, добавляя к ней специальные вещества. Особенно легко понизить поверхностное натяжение, – для этого бывает достаточно добавить к жидкости ничтожное количество примеси. Так, например, совсем небольшая добавка мыла резко уменьшает поверхностное натяжение воды.
Для того чтобы убедиться в этом, возьмите чайное блюдечко, налейте в него чистой воды и бросьте на ее поверхность небольшие кусочки бумаги (рис. 36).
Рис. 36. Разбегание бумажек по поверхности воды.
Постарайтесь распределить бумажки равномерно по всей поверхности, а затем осторожно прикоснитесь к жидкости в центре блюдечка кусочком мыла, заточенным наподобие карандаша. Как только мыло коснется воды, бумажки разбегутся в разные стороны. Почему это происходит?
В месте прикосновения мыла к воде возникает мыльный раствор, поверхностное натяжение которого много меньше поверхностного натяжения чистой воды. Чистая вода как бы растягивает образовавшееся пятнышко раствора на всю поверхность жидкости, увлекая при этом плавающие на поверхности бумажки.
У растворов солей и сахара поверхностное натяжение больше, чем у чистой воды. Поэтому если повторить опыт с бумажками, прикасаясь к чистой воде кусочком сахара, то бумажки будут не разбегаться, а, наоборот, собираться к тому месту, где сахар касается воды. Для успеха этих опытов необходимо лишь, чтобы каждый раз вода на блюдечке была совершенно чистой, свободной от примесей.
Способностью уменьшать поверхностное натяжение воды обладают вещества, выделяемые жировыми железками, расположенными в кожном покрове человека. Это дает возможность показать, как разбегаются бумажки от обычной швейной иголки, если провести ею предварительно по коже, лучше всего около носа, где расположено много желез.
Поверхностное натяжение морской воды вблизи расположенных на берегу поселений в несколько раз меньше, чем в открытом море. Причина этого – загрязнение морской воды органическими веществами, попадающими в море вместе со сточными водами.
Замечательно, что вещество, понижающее поверхностное натяжение воды, часто бывает само почти нерастворимо в ней, в этом случае оно содержится практически только в поверхностном слое.
Очень интересное явление можно наблюдать, если на блюдечко с чистой водой насыпать маленькие крупинки камфоры. Отдельные крупинки при этом начинают оживленно двигаться. Вот крупинка устремилась внезапно вперед, она налетает на стенку блюдечка, отскакивает, сталкивается с другой, вдруг начинает быстро вращаться, потом снова устремляется вперед… Движение крупинок так похоже на движение живых существ, что само явление назвали «пляской камфоры». Объясняется это опять же тем, что поверхностное натяжение раствора камфоры меньше, чем у чистой воды, а растворение крупинок происходит неравномерно. В какое-то мгновение вырвавшийся поток молекул камфоры снижает поверхностное натяжение воды и одновременно отталкивает крупинку, так же как при выстреле приклад ружья отталкивает плечо стреляющего. В результате этого сложного взаимодействия и возникают причудливые движения камфоры – крупинки начинают плясать.
Частицы мыла располагаются в поверхностном слое не беспорядочно.
Химики знают, что молекула мыла напоминает длинную цепочку, утолщенную на одном из концов. Свойства разных частей подобной нитеобразной молекулы различны. Утолщенный конец притягивается водой, в то время как остальная цепочка водою выталкивается. Благодаря этому мыльный слой на поверхности напоминает частокол или густую щетку (рис. 37).
Рис. 37. Строение поверхностного слои водного раствора мыла.
У мыльного пузыря две поверхности – внутренняя и внешняя, обе они покрыты частоколом молекул (рис. 38).
Рис. 38. Поверхностные слои в мыльном пузыре.
Торчащие из воды нитеобразные концы молекул мыла лишь слабо взаимодействуют друг с другом. Поэтому поверхности мыльных пузырей могут соприкасаться, а пузыри сливаться не будут. Обладая некоторой сноровкой, удается иногда выдуть один мыльный пузырь в другом (рис. 39) так, что меньший будет лежать в большем.
Рис. 39. Два мыльных пузыря, один в другом.
Крупинки камфоры пляшут только на чистой поверхности воды. Прикоснитесь к поверхности кусочком мыла – крупинки замрут и будут неподвижно лежать на водной поверхности.
Для прекращения «пляски камфоры» достаточно слоя мыла в одну молекулу. Ученые воспользовались этим и подсчитали, при каком количестве мыла крупинки камфоры перестают двигаться по поверхности воды. Узнав, сколько необходимо для этого мыла, уже не трудно было определить число молекул, покрывающих поверхность воды, а затем и площадь, приходящуюся на отдельную молекулу, или, другими словами, ее размеры. Как оказалось, поперечник молекулы составляет несколько стомиллионных долей сантиметра.
Свойства веществ, повышающих поверхностное натяжение, и тех, которые его понижают, взаимно противоположны. Это приводит к тому, что, добавив к раствору мыла поваренной соли, повышающей поверхностное натяжение воды, мы заставляем часть растворенного мыла выделиться из раствора. Подобное выделение вещества называется «высаливанием», им пользуются при производстве мыла.
Вещества, изменяющие поверхностное натяжение, находят очень широкое применение в самых различных областях науки и техники.
Достаточно упомянуть, что на применении веществ, изменяющих поверхностное натяжение, основан один из наиболее распространенных способов обогащения руд, называемый флотацией. Широко используются подобные вещества при приготовлении многочисленных эмульсий, находящих себе самое разнообразное применение в различных областях техники, медицине, быту…
Жидкость превращается в пар
В жизни мы постоянно наблюдаем превращение вещества из жидкого состояния в газообразное. Присмотримся повнимательнее к этому явлению.
Вот, например, блюдечко с водой. Каждый знает, что спустя некоторое время вода испарится. Каким же образом это происходит?
Молекулы жидкости непрерывно движутся. Движутся и те молекулы, которые находятся вблизи поверхности. Казалось бы, что если молекула движется по направлению к границе, отделяющей жидкость от воздуха, то она обязательно покинет жидкость и перейдет в воздух: образуется водяной пар. Однако дело не так просто.
Когда молекула приблизится к поверхности, силы притяжения частиц, расположенных ниже, будут стремиться ее удержать. Она сможет преодолеть притяжение и покинуть жидкость только в том случае, если будет двигаться очень быстро. Быстро движущихся молекул в жидкости немного, и поэтому жидкости испаряются не очень быстро. Чем выше температура жидкости, тем больше в ней быстрых молекул и тем скорее жидкость превращается в пар. Мы знаем, что мокрое белье высыхает на солнышке быстрее, чем в тени. На теплой печке вода, налитая на блюдце, испаряется скорее, чем на холодном подоконнике.
Но ведь если отрываются от поверхности только быстро движущиеся молекулы, то при испарении их количество в жидкости должно непрерывно уменьшаться. В свою очередь, если число быстрых молекул будет делаться меньше, то, очевидно, будет уменьшаться и средняя скорость движения частиц, а следовательно, и температура жидкости. Налейте на ладонь руки какую-либо легко летучую жидкость – эфир, спирт, бензин – и, поднеся руку ко рту, подуйте на ладонь. Вы тотчас же почувствуете охлаждение, оно вызывается испарением жидкости. Кто не дрожал от холода на легком ветерке даже в сравнительно теплый день, вылезая после купанья из реки?! И здесь охлаждение обусловлено быстрым испарением воды. Достаточно вытереться насухо, и ощущение холода исчезнет.
Поместив блюдечко с водой под колокол воздушного насоса и быстро откачивая воздух вместе с образующимся паром, можно настолько ускорить испарение, что вода на блюдечке замерзнет.
Таким образом, для того чтобы жидкость испарялась без понижения температуры, к ней необходимо непрерывно подводить тепло. Подводимая теплота не вызывает повышения температуры и потому называется скрытой теплотой испарения.
Различные жидкости имеют и различную скрытую теплоту испарения; для испарения одного грамма спирта требуется иное количество тепла, чем для испарения такого же количества керосина или эфира.
Особенно велика скрытая теплота испарения воды. Количеством теплоты, необходимым для того, чтобы превратить в пар один грамм воды, можно было бы нагреть пять с половиной граммов воды от нуля градусов до кипения.
Конечно, скрытая теплота испарения не исчезает бесследно. Она выделяется вновь при превращении пара в жидкость. Этим широко пользуются в технике при устройстве различных нагревателей.
На рисунке 40, а изображен нагреватель, в котором обогревающий пар поступает в змеевик, конденсируется в нем, а выделяющаяся скрытая теплота парообразования нагревает окружающую змеевик жидкость.
Конструкции нагревателей очень разнообразны. Так, например, холодную жидкость можно поместить в сосуд, окруженный «паровой рубашкой» (рис. 40, б).
Рис. 40. Паровые нагреватели: а – змеевик, б – «паровая рубашка».
Омывая холодные стенки сосуда, пар здесь также превращается в жидкость, выделяя необходимое для нагревания тепло. В одних случаях более целесообразна одна конструкция нагревателя, в других – другая. Ценным качеством парового обогрева является автоматическая регулировка наибольшей температуры, достижимой в нагревателе. Совершенно ясно, что конденсирующимся водяным паром нельзя нагреть жидкость больше, чем до температуры кипения воды, так как в этом случае образовавшаяся вода вновь будет превращаться в пар, забирая на это тепло, выделяемое при конденсации.
Охлаждение жидкости при испарении используется при устройстве холодильных машин.
Испарение воды играет огромную роль в жизни природы.
Мы уже говорили, как много испаряется воды с поверхности земли. Из общего количества испарившейся влаги почти девять десятых приходится на моря и океаны. На этот процесс тратится гигантское количество солнечной энергии, которая как бы запасается «впрок» в земной атмосфере.
Понятно, что в жарких странах вблизи экватора испаряется гораздо больше влаги, чем в странах с умеренным или холодным климатом. Испарение с морской поверхности смягчает климат приморских стран. Смягчающее влияние моря приводит к тому, что разница между средними летними и зимними температурами вблизи моря меньше, чем вдали от него. Действительно, в Сочи, например, эта разница составляет 17,5 градуса, а в Москве около 30 градусов. Испарившиеся вблизи экватора массы воды вместе с воздушными потоками распространяются над поверхностью земли. Попав в более холодные области, пары начинают конденсироваться, отдавая воздуху тепло, захваченное на экваторе.
Так в природе в гигантских масштабах осуществляется выравнивание температуры, которое в наше время еще не под силу человеку.
