Капля

Капля, осушенная иглой

Расскажу об одном очень простом опыте, который когда- то в нашей лаборатории был поставлен и заснят на кино­пленку. «Героем» фильма, естественно, была капля.

Начну с предыстории, с «общих соображений». Во мно­гих учебниках физики утверждается, что жидкость сма­чивает твердое тело того же вещества: жидкая медь — твер­дую медь, вода — лед. Это означает, что если бы, например, на поверхности твердой меди поместить каплю жидкой меди, она должна была бы растечься по ней тонким слоем. Утверждается, что это веществу «выгодно», поскольку при этом его поверхностная энергия уменьшается, т. е. что поверхностная энергия твердой меди на границе с парами меди больше, чем сумма энергий на границе твердая медь — жидкая медь и жидкая медь — пары меди. Разумеет­ся, медь — это лишь пример. Имеется в виду, что утверж­дение справедливо применительно ко многим веществам.

Если авторы учебников физики не заблуждаются, то смачивание твердого тела жидким должно проявлять себя во многих явлениях. Ведь это означает выгодность наличия жидкой пленки на поверхности твердого тела. Чуть курьезно об этом можно сказать так: твердым те­лам выгодно быть мокрыми. Но окружающие нас твердые предметы сухи, если, разумеется, мы их специально не смочим. Впрочем, и смочить их не просто, так как смачи­вать надо жидкостью того же вещества, что и твердое тело, а такая жидкая пленка на твердом теле быстро кристал­лизуется и, присоединившись к нему, становится твердой.

Впрочем, быть может, авторы учебников не заблуж­даются и существуют условия, при которых потребность твердых тел быть мокрыми удовлетворяется. Ведь жидкая пленка на твердой поверхности — это как бы палка о двух концах. С одной стороны, пленка выгодна, так как с ее присутствием связано уменьшение поверхностной энергии,— об этом уже говорилось. С другой стороны, плен­ка невыгодна — с ней связана избыточная «объемная» энергия: если пленка закристаллизуется, выделится энер­гия, и тем большая, чем дальше отстоит температура, при которой находится твердое тело, от температуры его плавления. Если дело обстоит так, то, быть может, авторы учебников все же правы и их правота не противоречит нашему жизненному опыту, протестующему против того, что якобы все твердые тела должны быть мокрыми. Быть может, твердые тела станут мокрыми, когда их температура непосредственно приблизится к температуре плавления, когда проигрыш «объемной» энергии будет меньшим, чем выигрыш «поверхностной». Ведь процессы, которые в природе происходят самопроизвольно, всегда движимы стремлением к уменьшению энергии. Скажем так: камень сам в гору не покатится, а вот с горы — при первой воз­можности.

В первые послевоенные годы в одном из томов «Докладов АН СССР» было опубликовано описание интересного опы­та, который поставили В. И. Данилов и Д. С. Каменецкая. Опыт заключался в следующем. Маленький шарик ме­таллического натрия, состоящий из нескольких кристал­ликов, медленно нагревался в ультратермостате, где тем­пература поддерживалась и регулировалась с большой точ­ностью, кажется, не меньшей пяти тысячных градуса. Гра­ницы между отдельными зернами на поверхности шарика очерчивались канавками. Они образовывали узор, по­добный тому, который образуют швы на покрышке фут­больного мяча. Канавки на шарике сохранялись при всех температурах, однако, когда до температуры плавления оставалось менее одной сотой градуса, они исчезли и вся поверхность шарика, ранее бывшая матовой, как бы покрывалась глазурью. Когда шарик натрия немного охлаждался, канавки снова появлялись, а затем повтор­ным нагревом можно было заставить их исчезнуть, а по­верхность покрыться глазурью. Это наблюдение очень .естественно объясняется «общими соображениями»: жид­кость смачивает собственное твердое тело, и поэтому вбли­зи температуры плавления твердое тело должно покрыться жидкой пленкой — это она сглаживает канавки и придает поверхности блеск глазури.

Авторы опыта с шариком натрия изучали не причины и закономерности появления и исчезновения канавок на его поверхности. Это наблюдение — побочный результат опы­та, и поэтому они специально не стремились убедиться в том, что вблизи температуры плавления натрий запотевает, покрывается тонким жидким слоем.

Опыт, о котором рассказано, очень красив, но его ре­зультат лишь косвенно свидетельствует о правильно­сти утверждения, что жидкость смачивает твердое тело того же вещества. Если жидкая пленка появляется — ка­навки должны исчезнуть, но не исключено, что они исче­зают по каким-либо иным причинам, а причин может быть множество.

Здесь можно оставить предысторию и «общие соображе­ния» и перейти к опыту, о котором говорилось в начале очерка. Мы пытались придумать прямой опыт, результат которого, не допуская кривотолков, убедил бы нас в том, что твердое тело с готовностью покроется жидкостью того же вещества, если такая возможность будет ему предостав­лена. Вспомнили о ментоле — веществе, расплав которого очень легко переохлаждается. Кристаллики ментола пла­вятся при 35° С, но и при комнатной температуре ментол может оставаться жидким.

Опыт заключался в следующем. На стеклянной пластин­ке поместили маленький кристалл ментола, подогрели его, расплавили, и он превратился в жидкую каплю. Менто­ловая капля немного растеклась по стеклу и приняла форму плоской лепешки. Затем взяли ментоловую иголоч­ку — продолговатый кристаллик ментола, сечение кото­рого было много меньше площади капли,— и опустили ее в ментоловую переохлажденную жидкую каплю.

Рассуждали так. Игла из кристаллика ментола может вмешаться в судьбу капли двумя различными способами. Она может явиться затравкой, которая вызовет кристал­лизацию переохлажденной ментоловой капли. В этом слу­чае капля, затвердев, останется на стекле в виде твердой лепешки, которая по форме мало отличается от формы жид­кой капли. Может произойти и иное: ментоловая игла, ока­завшись в непосредственном контакте с жидким ментолом, начнет жадно втягивать его на свои свободные поверхности, чтобы закрыть их жидкой пленкой. Если это произойдет, игла осушит каплю, как бы промокнет ее.

Произошло именно это: у места контакта с каплей игла начала утолщаться. Дело об­стояло так. Жидкий ментол, который в виде тонкого слоя наполз на поверхность иглы, кристаллизовался. На воз­никшую при этом свежую твердую поверхность опять наползал ментол и в свою очередь тоже кристаллизо­вался. Так происходило до тех пор, пока вся масса жид­кой капли не перебралась на иглу. Разумеется, процессы наползания и кристаллиза­ции не следовали один за другим, а происходили одно­временно, но наползание бы­ло ведущим процессом.

Ментоловая капля наползает на кончик ментоловой иглы

Нам, конечно, повезло — могла бы осуществиться пер­вая возможность, и капля осталась бы на стекле твер­дой лепешкой. В чем же при­чина везения? Главным обра­зом в том, что наползал мен­тол на иглу со скоростью большей, чем кристаллизо­вался. Опыт с иным вещест­вом, которое, как и ментол, подчиняется правилу, описан­ному в учебнике физики, окончился бы неудачей, если бы соотношение между скоро­стью наползания и кристал­лизации было неблагоприят­ным для проявления напол­зания и капля отвердела бы прежде, чем заметная ее часть успела бы наползти на иглу.

Обнаружив, что игла мо­жет осушить каплю, мы реши­ли заснять этот процесс на киноленту и теперь показываем студентам двухминутный фильм на лекции, посвящен­ной явлениям на границе между твердой и жидкой фазами. Кинограмма, иллюстрирующая очерк, смонтирована из кадров этого фильма.