Текст книги "Первоначала вещей (Очерк о строении вещества)"

Автор книги: Борис Кудрявцев

сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 8 страниц)

Подвижное равновесие

Одним из подвигов легендарного римского героя Геркулеса была битва с лернейской гидрой. Трудно было победить сказочное чудовище. Девять голов имела гидра, и на месте каждой отрубленной головы вырастали тотчас же две новые.

Стремление человека познать окружающий мир, вырвать у природы ее тайны до некоторой степени напоминает этот поединок Геркулеса. Найденный ответ на какой-либо вопрос, расширяя наши знания о природе, тотчас же вызывает к жизни новые вопросы, так же настоятельно требующие объяснения, как и первый.

Яркий пример этого непосредственно перед глазами: движение молекул позволило понять, почему жидкость испаряется, но сейчас же возник вопрос, почему в бутылке, наполовину наполненной водой и плотно закрытой пробкой, вода не превращается целиком в пар, даже если бутылку поставить в теплое место.

Означает ли это, что молекулы жидкости потеряли способность отрываться от поверхности и переходить в пар? Нет, конечно. Быстро движущиеся частицы жидкости по-прежнему покидают ее, но только теперь этот процесс компенсируется встречным – переходом молекул пара в жидкость, или, как говорят, конденсацией пара.

Постараемся лучше понять происходящее явление.

Как мы знаем, молекулы жидкости сравнительно редко отрываются от ее поверхности. Это удается примерно только одной из тысячи частиц, пытающихся покинуть жидкость. Девятьсот девяносто девять остальных возвратятся обратно, – их остановит притяжение соседей.

Молекулы пара, двигаясь беспорядочно, так же как и молекулы жидкости, ударяются о ее поверхность. Внешне оба явления весьма сходны, но достаточно внимательно присмотреться к ним, чтобы заметить существенное различие.

Предположим, что одна из частиц пара приближается к поверхности жидкости. Молекул пара, стремящихся удержать ее, немного. Когда частица достигнет поверхности, притяжение молекул жидкости будет гораздо больше, чем притяжение молекул пара. Если только поверхность жидкости ничем не загрязнена, то практически каждый удар частицы пара о поверхность сопровождается переходом ее в жидкость. Когда жидкость только что налита в какой-либо сосуд и последний плотно закрыт, то первоначально в парообразном состоянии молекул немного и покидает жидкость больше частиц, чем приходит за то же самое время из части сосуда, наполненной паром, – жидкость испаряется.

По мере испарения число молекул в парообразном состоянии увеличивается, а одновременно растет и число ударов их о поверхность жидкости: скорость конденсации возрастает.

Скорость же испарения, если температура жидкости не изменяется, остается постоянной, и совершенно ясно, что рано или поздно скорость конденсации, возрастая, сделается равной скорости испарения. В каждое мгновение жидкость будет терять столько же частиц, сколько поступает в нее из пара. Испарение как бы прекратится.

Теперь становится понятным и то, почему плотность жидкости всегда значительно больше плотности ее пара.

Для того чтобы число испаряющихся молекул сделалось равным числу конденсирующихся, необходимо, чтобы в каждое мгновение о поверхность, разделяющую жидкость и пар, ударялось гораздо больше частиц жидкого вещества, чем парообразного. А так может обстоять дело только в том случае, если плотность пара много меньше плотности жидкости. Равновесие наступает тогда, когда между плотностями пара и жидкости устанавливается определенное соотношение. Это соотношение изменяется при изменении температуры; при каждой температуре для каждой жидкости оно имеет определенную величину. Иными словами, испарение жидкости в закрытом сосуде продолжается до тех пор, пока не установится определенное давление пара, при котором скорости испарения и конденсации выравниваются.

Обычно испарение происходит только с поверхности жидкости, но при некоторых условиях пузырьки пара образуются и внутри нее. Это наблюдается при такой температуре, когда давление пара жидкости делается равным атмосферному давлению. Температуру, при которой происходит образование пузырьков пара внутри жидкости, называют температурой кипения, а само явление – кипением.

Каждое вещество имеет свою собственную температуру кипения. Температура кипения воды при нормальном давлении принята за 100 градусов. Эфир кипит при 34,6 градуса, спирт – при 78,3 градуса, ртуть – при 357 градусах.

Когда жидкость кипит, температура ее остается постоянной до тех пор, пока вся она не испарится.

На практике часто наблюдается задержка в возникновении кипения, когда необходимая температура уже достигнута, а жидкость не кипит. Такая жидкость называется перегретой. Перегретая жидкость неустойчива: спустя некоторое время она бурно вскипает, – жидкость толчком подбрасывается вверх.

Особенно часто перегревается жидкость при длительном кипячении, когда из нее удаляется растворенный в ней воздух, мельчайшие пузырьки которого облегчают закипание, делают кипение спокойным.

Химики, которым часто приходится длительно кипятить жидкости, научились предупреждать перегрев. Оказывается, достаточно бросить в колбу с нагреваемой жидкостью кусочки фарфора, маленькие металлические пирамидки или обрезки стеклянных трубочек, чтобы кипение происходило спокойно.

Нетрудно догадаться, в чем причина этого. Между острыми краями кусочков фарфора или металлических пирамидок оказываются зажатыми очень тонкие слои жидкости, легко перегревающиеся и создающие пузырьки пара, необходимые для равномерного кипения. Таким способом, создавая искусственно местные небольшие области перегретой жидкости, удается избежать перегрева всей массы вещества. Важную роль в предупреждении перегрева играют также газы, заключенные в порах кусочков фарфора: они облегчают возникновение пузырьков пара нагреваемой жидкости.

Температура кипения зависит от внешнего давления. Понижение давления вызывает понижение температуры кипения. В местностях, расположенных высоко над уровнем моря, атмосферное давление ниже нормального; поэтому там вода кипит уже не при 100 градусах, а при более низкой температуре.

Город Ереван расположен на высоте 950-1 200 метров над уровнем моря, – в Ереване вода кипит приблизительно при температуре 96–97 градусов.

Увеличение внешнего давления вызывает повышение температуры кипения. В паровом котле, в котором давление 10 атмосфер, вода кипит при температуре приблизительно 180 градусов.

Так как жидкость не может существовать при температуре выше критической, а последняя для воды 374 градуса, то нельзя построить паровой котел, который работал бы при температуре еще более высокой. Температуре 374 градуса соответствует давление пара приблизительно 218 атмосфер. Это наивысшее давление, достижимое в паровых котлах, работающих на воде.

Вязкость

Сказочные успехи достигнуты наукой за последние сто лет. Развитие электротехники, поставившее на службу человеку энергию рек и водопадов, завоевание воздуха, изобретение радио, овладение неисчерпаемыми запасами ядерной энергии и многие другие достижения техники, – их все невозможно даже перечислить, – никогда бы не стали реальностью, если бы не опирались на бурное развитие всех отраслей знания. Поэтому неудивительно, если иногда у человека возникает мысль о том, что какое-либо явление природы он изучил полностью и ничего нового в нем уже открыть нельзя.

Эта мысль ошибочна!

Природа бесконечна, и познание ее никогда не остановится. Не составляет исключения и атомное учение. И в этой очень старой области знания имеется еще много неизвестного. За примерами не надо ходить далеко. Достаточно указать, что до сих пор мы не можем удовлетворительно объяснить одно из важнейших свойств жидкости, называемое вязкостью.

В обыденной жизни слово «вязкость» употребляется очень часто. Мы говорим, например, что мед более вязок, чем подсолнечное масло, а подсолнечное масло, в свою очередь, более вязко, нежели вода.

Но как определить точно, что такое вязкость, как ее измерить?

Попытаемся присмотреться повнимательнее к поведению какой-либо сильно вязкой жидкости и сравнить ее свойства со свойствами жидкости мало вязкой.

Представьте себе, что вы размешиваете ложкой густую сметану. Рука непосредственно чувствует усилие, которое необходимо для того, чтобы ложка двигалась. Размешайте той же ложкой чай. Для этого потребуется гораздо меньшее усилие. Очевидно, движение твердого тела в мало вязкой жидкости встречает меньшее сопротивление, чем в жидкости сильно вязкой. Вот вам и один из способов измерить вязкость жидкости: достаточно определить сопротивление, испытываемое при движении в ней твердым телом правильной формы, например небольшим шариком.

Наряду с этим способом вязкость часто измеряется иначе. Сравните, как вытекают из одинаковых бутылок такие жидкости, как вода и густой мед. У многих при выливании меда из бутылки невольно возникает желание потрясти ее, для того чтобы мед вытекал скорее. Чем больше вязкость жидкости, тем медленнее она течет. Сравнив время протекания по узенькой трубочке одного и того же количества двух различных жидкостей, мы узнаем, во сколько раз вязкость одной жидкости больше или меньше вязкости другой.

Приняв условно, что вязкость чистой воды при 20 градусах равна 0,01, мы найдем таким способом, что вязкость касторового масла равна 12, то-есть в тысячу двести раз больше, а вязкость эфира – 0,0026, то-есть в четыре раза меньше, чем вязкость воды.

Когда для определения вязкости жидкости измеряется сопротивление, оказываемое ею движению твердого тела, надо помнить, что сопротивление будет возрастать не только при увеличении вязкости, но и при увеличении размеров тела. Кроме того, вязкость жидкости – только одна из причин сопротивления движению тела. Она играет главную роль, когда движение происходит с небольшой скоростью. Движущееся тело как бы раздвигает слои жидкости, которые спокойно соединяются сзади него (рис. 41).

^{Рис. 41. Слоистое течение жидкости.}

С возрастанием скорости картина движения изменяется. Частицы жидкости приобретают вращательное движение, течение делается пульсирующим, в жидкости возникают вихри (рис. 42), приводящие к перемешиванию жидкости.

^{Рис. 42. Вихри в жидкости.}

Возникновение вихрей требует дополнительного усилия при движении тела в жидкости. Сопротивление движению делается больше. Чем энергичнее вихреобразование, тем больше сопротивление.

Для образования вихрей большое значение имеет форма тела. Здесь может оказаться более выгодным воспользоваться телом больших размеров, но обладающим формой, ослабляющей образование вихрей. Такая форма называется обтекаемой.

Вязкость газов и, в частности, воздуха ничтожно мала. Вызванным ею сопротивлением можно свободно пренебречь. Иначе обстоит дело с сопротивлением, вызванным образованием вихрей при быстром движении. В этом случае сопротивление может быть очень большим. Именно поэтому предметам, предназначенным для движения с большой скоростью в воздухе или в жидкости, придают обтекаемую форму.

В чем же причина вязкости, как она связана с молекулярным строением вещества?

Природу вязкости газов удалось объяснить давно. Предположим, что в газе движутся в направлении слева направо две соприкасающиеся струйки: одна быстрее, вторая медленнее (рис. 43).

^{Рис. 43. Возникновение внутреннего трения в газе.}

Беспорядочное тепловое движение молекул газа заставляет частицы, движущиеся в одной из струек, залетать в другую. Этот залет частиц компенсируется встречным. В результате молекулы, попавшие из струи, движущейся быстрее, в более медленную, будут ускорять ее движение, а встречные им, попав в быстро движущийся поток газа, будут его тормозить.

Как мы видим, вязкость, или внутреннее трение, газа вызвана переносом разного количества движения. Молекулы, уходящие из быстро движущегося потока, уносят количество движения большее, чем приносят поступающие на их место.

Это объяснение позволило предвидеть некоторые особенности поведения газов. Так, например, удалось подсчитать изменение вязкости газов при изменении температуры. Результат оказался неожиданным: если газ нагревать в закрытом сосуде, то согласно расчету вязкость его возрастает. Многим это казалось невозможным, однако опыт подтвердил предвидение теории: газ, который нагревается без увеличения объема, делается более вязким.

Правильный расчет вязкости газов много способствовал утверждению в науке атомного учения.

Значительно хуже обстоит дело с объяснением вязкости жидкостей. Воспользоваться теми же рассуждениями, которые дали возможность объяснить вязкость газов, нельзя, потому что они приводят к противоречащей опыту зависимости вязкости жидкости от температуры.

Это не означает, что в движущейся жидкости перенос разного количества движения не играет никакой роли. Несомненно, это явление имеет место в жидкости и влияет на ее свойства. Однако при объяснении вязкости необходимо учитывать особенности молекулярного строения жидкости, отличающие ее от газа. Вероятно, решающее значение здесь имеет энергичное молекулярное взаимодействие, отсутствующее в газах.

Как бы там ни было, можно с полным основанием утверждать, что, несмотря на большое количество предложенных теорий, до сих пор не существует исчерпывающего объяснения вязкости жидкости.

Вязкость жидкости быстро возрастает при понижении температуры. Наоборот, при нагревании вязкость жидкости уменьшается.

При перевозке некоторых жидкостей в зимние месяцы их вязкость настолько увеличивается, что для выгрузки загустевшую массу приходится подогревать.

Иногда при понижении температуры вязкость возрастает настолько, что жидкость теряет одно из своих основных свойств – подвижность частиц, она перестает течь.

Это наблюдается, например, у каменноугольного дегтя, или, как его иногда называют, вара. Каменноугольный деготь – составная часть асфальта, которым покрывают улицы городов, автомобильные дороги.

Нагретый вар – подвижная жидкость. При охлаждении его подвижность уменьшается, каменноугольный деготь начинает напоминать густую сметану.

При еще более низкой температуре это уже не вязкая жидкость, а блестящее твердое тело с характерным острым изломом. Однако в затвердевшем варе взаимная подвижность частиц не полностью потеряна. Положите на кусок вара небольшой камень или металлическую гирьку и оставьте в покое. Через несколько дней на поверхности вара образуется отпечаток лежавшего на нем предмета.

К такого же рода веществам, как и каменноугольный деготь, относятся различные смолы, стекла, эмали…

Более подробно с их свойствами мы познакомимся позже.

Жидкость превращается в твердое тело

В жизни можно часто наблюдать превращение жидкости при охлаждении ее в твердое тело.

Иногда это происходит, как мы только что рассказали, вследствие увеличения вязкости, и тогда наблюдается плавное превращение жидкости в твердое тело. Жидкость все более теряет текучесть, пока не уподобится по своим механическим свойствам твердому телу.

Чаще, однако, жидкость превращается в твердое тело скачкообразно, при определенной для каждого вещества температуре. Это явление называют кристаллизацией, а температуру, при которой оно происходит, температурой кристаллизации.

При кристаллизации изменяется строение тела и одновременно скачкообразно изменяются его свойства.

Но хотя каждое вещество имеет совершенно определенную температуру кристаллизации, на практике жидкость легко охладить ниже этой температуры, и все же она останется жидкостью. Такую жидкость называют переохлажденной.

Переохлажденная жидкость неустойчива. Достаточно внести в нее маленький кристаллик или даже просто энергично встряхнуть сосуд, в котором она находится, и жидкость быстро закристаллизуется. Особенно легко переохлаждается расплавленный гипосульфит – основная часть фиксажа, употребляемого для «закрепления» фотографических пластинок. Гипосульфит легко расплавить в стеклянной колбе. Образовавшуюся жидкость надо профильтровать и оставить спокойно стоять, Как правило, температура опускается до комнатной, а гипосульфит остается жидким, – он переохлажден.

Если в колбу с переохлажденным гипосульфитом бросить кристаллик, то он начнет быстро расти и большая часть содержимого колбы затвердеет.

Почему же не затвердеет весь гипосульфит?

Чтобы понять это, приложите к колбе ладонь. Вы сразу почувствуете, что колба горячая.

Оказывается, жидкость, охлажденная до температуры кристаллизации, не превращается в твердое тело, даже если бросить в нее для затравки маленькие кристаллики. Для того чтобы жидкость превратилась в твердое тело, от нее надо отвести выделяющееся при кристаллизации тепло. Именно выделение теплоты при затвердевании переохлажденного гипосульфита и нагрело колбу. Конечно, переохлажденная жидкость может нагреться только до температуры кристаллизации. При более высокой температуре образующееся твердое тело будет вновь плавиться.

Замечательно, что, несмотря на отвод тепла от затвердевающей жидкости, ее температура остается постоянной все время, пока продолжается кристаллизация.

Плавление твердого тела требует затраты такого же количества тепла, какое выделяется при затвердевании. Естественно, теплоту, поглощаемую при плавлении твердого тела и выделяющуюся при затвердевании жидкости, назвали скрытой теплотой плавления, или скрытой теплотой кристаллизации.

Скрытая теплота кристаллизации разных жидкостей различна. Особенно велика скрытая теплота кристаллизации воды. Теплоты, которая выделяется при превращении одного грамма воды в лед, достаточно для того, чтобы нагреть это количество воды от нуля приблизительно до 80 градусов, то-есть она равна 80 калориям.

То, что при превращении воды в лед выделяется очень много тепла, имеет большое значение в жизни природы. С наступлением морозов замерзание рек и озер происходит не мгновенно, а постепенно. Превращаясь в лед, вода выделяет в окружающее пространство скрытую теплоту кристаллизации. Это замедляет кристаллизацию воды, замерзание происходит более медленно, постепенно.

Когда наступает весна и начинается таяние льда и снега, большая скрытая теплота плавления льда спасает нас от ужасного половодья, наступившего бы, будь она меньше, например как у свинца, у которого она составляет приблизительно одну тринадцатую часть скрытой теплоты плавления льда, то-есть всего 6 калорий.

Если вспомнить, что ледниковый покров на Земле занимает примерно одну девятую часть суши, и если прибавить к нему область вечной мерзлоты – одну пятую часть суши, то станет ясным, какую большую роль в жизни природы играет таяние льда и замерзание воды.

При этом подсчете мы не учитывали земную поверхность, занесенную снегом в зимнее время. Прибавив же ее, мы получили бы еще более поразительные цифры. Ежегодно в течение нескольких месяцев площадь, покрытая льдом и снегом, превышает половину всей суши. Обладай вода меньшей теплотой плавления, климат на Земле был бы иным, пришлось бы привыкнуть к гораздо более резким изменениям температуры, чем те, с которыми мы имеем дело сейчас.

Переохлаждение жидкостей приходится учитывать в технике. Вода особенно легко переохлаждается в том случае, если она находится в форме мельчайших капелек – тумана. Переохлажденный туман – большая опасность для авиации. Ударяясь о поверхность летящего самолета, переохлажденные капельки мгновенно замерзают, – самолет начинает обледеневать. Если температура очень низкая, а, как показывает опыт, капельки могут быть жидкими и при 25-градусном морозе, и если размеры капелек малы, то они замерзают целиком и представляют для самолета меньшую опасность, чем большие капли. Последние при ударе о самолет распластываются и образуют прочный слой льда, который крепко держится на поверхности самолета. При обледенении вес самолета возрастает, форма крыльев изменяется, может нарушиться управление, обледенение винта снижает мощность мотора.

Оледенение самолета особенно опасно потому, что оно может происходить очень быстро. Многократно наблюдалось, что слой льда толщиной в пять сантиметров вырастал на крыле самолета всего за одну минуту!

Кристаллизация жидкости облегчается, если в ней присутствуют так называемые центры кристаллизации. Ими могут служить мельчайшие, микроскопические кристаллики, примеси измельченных нерастворимых в жидкости веществ, невидимые невооруженным глазом различные пылинки. Легче идет кристаллизация на поверхности твердого тела, например на стенках сосуда, содержащего жидкость. Если в переохлажденную воду погрузить стеклянную трубочку с тонким открытым снизу концом и положить внутрь нее кусочек льда, то первоначально превратится в лед вода внутри трубочки, а когда вся она затвердеет, на конце трубочки вырастет красивый кристалл льда, имеющий форму шестилучевой звездочки. Если не профильтровать расплавленный гипосульфит, в нем останутся центры кристаллизации и переохладить его не удастся.

В природе мы постоянно сталкиваемся с превращениями парообразного вещества в жидкое и жидкого в твердое. Летним вечером от реки колеблющейся пеленой тянется туман. Это пары воды превратились в мельчайшие водяные капельки.

Ясным осенним утром невольно залюбуешься красивым узором инея, который разукрасил крыши домов, чугунную ограду сада, телеграфные провода…

Это та же вода, превратившаяся в твердое состояние.

Что же происходит с мельчайшими частицами вещества – молекулами, когда жидкое тело превращается в твердое, как изменяется их движение, как они располагаются в твердом теле?