Первоначала вещей

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.

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.

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?