WWW.MASH.DOBROTA.BIZ
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - онлайн публикации
 

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |

«И СТРАТЕГИЯ ВЫЖИВАНИЯ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА Новосибирск 2015 УДК 504.03:538.9 Шабалин Л.И. Движущие силы природы и стратегия выживания человечества. – Новосибирск: СНИИГГиМС, 2015. – 294 с. ...»

-- [ Страница 1 ] --

Шабалин Л.И .

ДВИЖУЩИЕ СИЛЫ ПРИРОДЫ

И

СТРАТЕГИЯ ВЫЖИВАНИЯ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА

Новосибирск 2015

УДК 504.03:538.9

Шабалин Л.И. Движущие силы природы и стратегия выживания человечества. – Новосибирск: СНИИГГиМС, 2015. – 294 с .

АННОТАЦИЯ

В книге, кроме известных фундаментальных движущих сил природы – гравитационной, ядерной, электромагнитной, механической, рассмотрены еще три новых вида таких сил, выделенные автором впервые. К ним относятся сила разуплотнения поверхностного слоя веществ – СРПС и две духовные силы человека – сила материалистических чувств человека и сила его гуманистических чувств, на характеристике которых и сосредоточено все внимание. Показана роль этих сил в разных природных сферах Земли, в земной коре, в космосе и в человеческом обществе. Наибольшее внимание уделено СРПС и ее действию в различных природных процессах .

Стратегия выживания человечества, по мнению автора, будет осуществляться в соответствии с лозунгом:

«жить в согласии с природой, используя возобновляемые ресурсы и максимально экономя невозобновляемые» .

Показано, что это станет возможным только при наступлении пика добычи главнейших видов невозобновляемых полезных ископаемых и последующем сокращении их ресурсов, когда начнется спад промышленного производства, снижение прибыли интернациональных промышленных корпораций, их разорение и в результате этого переход промышленных предприятий в государственную собственность. Тогда будет возможным строительство социалистического общества во всех странах мира одновременно, когда сила гуманистических чувств человека сможет преодолеть силу его материалистических чувств, и это заставит его отказаться от господствующей сейчас потребительской идеологии .

Книга представляет интерес для широкого круга специалистов в области естественных, технических и гуманитарных наук, а также для тех, кто просто хочет знать о перспективах будущей жизни человечества на планете Земля .

Shabalin L.I. Driving forces of the nature and strategy of mankind survival. – Novosibirsk: SNIIGGiMS, 2015. – 294 p .

ANNOTATION Except the known fundamental driving nature forces – gravitational, nuclear, electromagnetic, mechanical ones, the book three new kinds of these forces, proposed by the author for the first, are investigated. These are the force of decondensation of the surface layer of substances – FDSL and two humans inner forces – force of materialist senses and force of humanity senses, which are the main topic of attention. The role of these forces is shown in different natural spheres of the Earth, in the earth ‘core, outer space and human society. Most attention is devoted to the FDSL and its action in different natural processes .

Strategy of the mankind survival, to the authors opinion, will be conducted according the slogan: to live in agreement with the nature, using resumed resources and saving non-resumed resources. This will be possible only at meeting of the top of output of most important kinds of non-resumed minerals and follonig decreasing of their resources. In this case the recession of profit of industrial corporation will begin, their destruction and as the result – transfer of industrial business in а state property. At that time it will be possible to establish the socialistic society in all countries of the world simultaneously, when the force of human senses can overcome the force of materialistic senses and this will make the mankind to refuse from predomination consumer ideology .





The book can be of interest for a wide circle of specialists in spheres of natural, technical and humane sciences and also for those who is interested in perspectives of future life of humanity on the Earth .

Рецензенты:

Доктор геолого-минералогических наук, профессор МГУ, академик РАЕН В.Т. Трофимов Доктор геолого-минералогических наук, профессор МГУ, академик РАЕН В.И. Старостин

–  –  –

ВВЕДЕНИЕ Вопросам саморазвития природы мною посвящено ряд книг и в последней из них рассматриваются также и стратегия выживания человечества. Здесь я решил акцентировать внимание на тех главнейших движущих силах природы, т. е. фундаментальных силах, которые способствуют созданию всего ее многообразия: как и за счет каких сил создаются атомные частицы, какие силы из невидимых глазу мельчайших атомных частиц и молекул создают все видимое в космосе и на нашей планете вещество, планеты, звезды, какие силы способствуют тому, что растения и живые организмы, преодолевая тяготение земли, вырастают до тех больших размеров, которые мы их наблюдаем и каким образом в них происходит обмен веществ, какие силы приводят в движение недра Земли, заставляя земную кору подниматься в виде высоких гор и опускаться в виде глубоких котловин, создавать землетрясения, извержения вулканов, образовать внутри ее месторождения полезных ископаемых, расплавы магматических пород, способствовать перемещению материков по поверхности Земли, разрушению на ней гор и выравниванию ее рельефа, образованию здесь осадочных месторождений полезных ископаемых, созданию атмосферы и происходящих в ней процессов, какие силы приводят в движение человеческое общество, заставляя его развиваться от одних общественных формаций к другим, совершенствовать производство необходимых ему материальных благ, начиная от каменного века до современного ракетно-космического века, какие силы будут способствовать дальнейшему сохранению человечества на Земле, определяя стратегию его выживания .

Хотя эти проблемы в той или иной мере рассматривались в моих книгах ранее, здесь я целенаправленно анализирую те силы, которые приводят весь мир в движение. Кроме известных четырех фундаментальных сил: гравитационной, электромагнитной, ядерной и механической мною выделяются и более детально анализируются три новые силы, которые ранее мировой наукой не рассматривались – сила разуплотнения поверхностного слоя веществ и две важнейшие духовные силы человека: сила материалистических чувств и сила его гуманистических чувств .

В определенной мере эту книгу можно рассматривать как второе дополненное издание двух моих предыдущих книг: «Саморазвитие природы и стратегия выживания человечества» и «Действительно ли существует сила разуплотнения поверхностного слоя веществ (сила Шабалина)», но здесь главные вопросы рассмотрены под несколько иным углом зрения, сокращены некоторые главы и сделано ряд дополнений в наиболее важных разделах .

–  –  –

ГЛАВА 1. ЧТО ТАКОЕ СИЛЫ И ИХ ГЛАВНЕЙШИЕ РАЗНОВИДНОСТИ,

ДВИЖУЩИЕ ПРИРОДУ

Слово сила является чемпионом среди слов чемпионов по многообразию смыслового значения .

В физике сила – это векторная физическая величина, являющаяся мерой интенсивности воздействия на данное тело других тел, а также полей. Приложенная к массивному телу сила является причиной изменения его скорости или возникновения в нем деформаций и напряжений .

Люди используют слово сила во множестве других значений. В словаре Даля имеются такие: сила природы, силы жизненные, силы духовные, сила ума, сила воли, сила света, сила тепла, сила молитвы, сила убеждения, сила красноречия, силы воды, лошадиная сила, сила обстоятельств, гравитационная сила, электромагнитная сила, нечистая сила, сила ветра, царева сила, сила знания, мышечная сила, сила денег, сила пламени, сила удара, военная сила, сила власти, сила пара, силы небесные и др .

Известны также сила Кориолиса, ядерные силы, осмотическая сила, сила привычки, сила таланта, сила фантазии, сила звука, сила тока, центробежная сила, силовая борьба, силовые министерства, сила слова, вооруженные силы .

В рекламной заставке Российского канала телевидения сообщают о силе тайги, силе гор, силе воли, силе реки, силе традиции, силе движения, силе духа, силе семьи, силе красоты, силе света, силе Сибири (т. е. газопроводу в восточном направлении Сибири) .

Даль в своем словаре, со ссылкой на Хомякова, приводит следующее определение слову сила – это «источник, начало, основная (неведомая) причина всякого действия, движения, стремления, всякой вещественной перемены в пространстве, или начало изменяемости мировых явлений» .

По-видимому, действительно, именно такое широкое определение и подходит для всех перечисленные выше многочисленных типов сил .

В науке классическими фундаментальными собственно физическими силами считаются четыре:

гравитационная, электромагнитные, ядерные и механические силы. Я предлагаю выделить кроме них еще три движущие силы, из которых одна являются собственно физической – сила разуплотнения поверхностного слоя веществ, а вторые две – это духовные силы человека: сила материалистических чувств человека и сила его гуманистических чувств .

Как будет показано ниже эти силы являются фундаментальными для природы, так как способствуют созданию важнейших процессов регулирующих ее саморазвитие на разных макро – и микроуровнях материи и в разных областях и сферах природы и в человеческом обществе .

Гравитационная сила способствует созданию из пылеобразной рассеянной в космосе материи планет, звезд, галактик, уплотнению в них вещества, образованию на планетах атмосферы и их поверхностного рельефа, перераспределению вещества по удельному весу в недрах Земли с образованием земной коры .

Ядерные силы способствуют разогреванию первоначально холодной материи с образованием раскаленных звезд и получением солнечного тепла, согревающего нашу планету .

Электромагнитные силы создают из ядер атомов молекулы и в последующем из них все вещества, из которых состоят все планеты, в том числе и наша Земля и всю органическую природу на ней .

Механические силы относятся к так называемым силам близкодействия, т. е. проявляются в непосредственном соприкосновении тел друг с другом. К ним относятся давление, растяжение, трение удар, силы упругости, которые непосредственно вызывают деформацию и разрушение тел. Способность тел подвергаться этим явлениям – фундаментальное свойство материи, так как благодаря ей частицы при соприкосновении способны разрушаться и уплотняться с образованием плотной компактной массы в виде планет и звезд. На поверхности планет они, наоборот, способствуют разрушению плотных масс пород на мелкие частицы, которые под действием гравитации, ветра, водных потоков сносятся с возвышенных горных участков в долины, реки и моря, стремясь выровнять поверхность и этим создавая современный видимый рельеф поверхности .

Сила разуплотнения поверхностного слоя веществ, представление о которой мною разработано впервые, является одной из самых фундаментальных сил в природе и в первую очередь на Земле, так как она способствует созданию обмена веществ в живой и неживой природе Земли и в земной коре и множества процессов на Земле – испарение, горение, осмос, избирательную проницаемость мембран, ферментативный и гетерогенный катализ, трение, плавление, спекание, растворение, кристаллизация веществ, участвует в создании атомной энергии и т. д., играет большую роль в технических процессах .

Сила материалистических чувств человека во все времена его эволюции заставляла его развивать производство материальных средств для его существования, развития физических и умственных способностей, брать от природы как можно больше, борясь с ее силами, чтобы успешно выживать в ней, защищаясь от поглощения ею .

Сила гуманистических чувств помогает людям объединяться друг с другом по расовому, религиозному, половому признакам, патриотическим чувствам к своей стране и создавать дружеские объединения. Эта сила объединяет духовно людей на основе любви, дружбы, товарищества, доброжелательных чувств друг к другу и не направлена на покорение природы материальными средствами, а заставляет жить в согласии с ней. Поэтому она способствует защите природы от нашествия человека .

Но ее роль в этой защите была до настоящего времени ничтожна, так как доминирующие в человеке материалистические чувства подавляли ее .

ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКА ТРЕХ НОВЫХ

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ДВИЖУЩИХ СИЛ, ВЫДЕЛЕННЫХ АВТОРОМ

К силам, выделенным мною впервые, относятся сила разуплотнения поверхностного слоя веществ, сокращенно СРПС, сила материалистических чувств человека и сила гуманистических чувств человека, каждая из которых определенным образом проявляется в различных природных сферах .

2.1. Сила разуплотнения поверхностного слоя жидких, твердых и газообразных веществ – СРПС Описание сил я начинаю с характеристики силы разуплотнения веществ, так как она взаимодействует с другими физическими силами, в частности, инициирует возникновение ядерных сил при создании ядерной энергии и сама, в свою очередь, возникает при действии механических сил. Кроме того, на ней сосредоточен мой научный интерес уже в течение почти 20 лет (см. мой сайт www.tietan.narod.ru/SHABALIN/ и с каждым годом я совершенствую представления о ней, в том числе и в этой книге. В разработке представления об этой силе мной использованы исследования и представления, касающиеся поверхностного слоя веществ ряда известных российских ученых, в первую очередь – Б.В. Дерягина, П.А. Ребиндера, Я.И. Френкеля, А.В. Думанского, А.И. Русанова, а также П.Л. Капицы, С.Л. Шварцева, Л.Д. Ландау, В.П. Чураева, Р.И. Злочевской, Г.Л. Поспелова. Г.К. Борескова, Ю.И. Дытнерского, В.А. Гинзбурга, С.Г. Калашникова, Э.Д. Ершова, Е.М. Сергеева, В.Т. Трофимова. Ф.Д. Овчаренко, Крюкова П.А, Кузнецова В.Д., Нестеренко Б.А., Чухрова Ф.В, Кикоина А.К., Королева В.А., Джапаридзе П.Н., Баландина А.А. и ряда других. Хотя никто из них не писал об этой силе и даже, наоборот, некоторые из них считали поверхностный слой, в частности воды, более плотным, чем глубинная масса вещества и, значит, ее существование по этой причине следовало бы предполагать невозможным в принципе, но ход их размышления, даже иногда и в ошибочном направлении, помогал мне развивать представление о ней. Поэтому это открытие, в случае его признания, будет являться приоритетом российской науки. Хотя были использованы также исследования и ряда зарубежных ученых. Здесь ей посвящен непропорционально большой объем текста, поскольку я изложил большую часть своего фактического материала по ней, полученного за многолетний период работы. Но вряд ли стоило бы детально описывать уже известные силы, характеристика которых дана во множестве опубликованных научных работ. Представление же об СРПС дается мною впервые. Поэтому мне хотелось бы еще, уже в который раз, довести информацию о ней до сведения ученых и, в первую очередь российских, с тем, чтобы приоритет на открытие этой силы остался за российской наукой и ее представители, обратив на нее внимание, начали бы изучать ее более детально, доведя до стадии признания ее всей мировой наукой .

Обоснование СРПС приводится в моих многочисленных опубликованных ранее книгах, ряде научных статей (Шабалин, 1995–2014) и кроме того сделаны сообщения по этой теме на более чем 30 крупнейших научных общероссийских и международных конференциях, в том числе и зарубежных .

Весь многолетний и тернистый путь движения мысли в процессе исследования этой проблемы изложен в моем научном дневнике: «Ход размышления в процессе открытия силы разуплотнения поверхностного слоя веществ (СРПС)» за 1990–2008 гг., имеющегося в ГПНТБ СО РАН и представленного в интернете на моем сайте. Заявка на открытие СРПС мною сделана и опубликована в виде книги еще в конце прошлого века (Шабалин, 2000) .

Прошло уже много лет со дня опубликования этой заявки, но научная общественность пока весьма молчаливо относится к этой идее. Хотя игнорировать ее совершенно невозможно, так как эта сила действует повсюду и ее проявление затрагивает практически все естественные и технические науки, поскольку подавляющая часть всех процессов на Земле осуществляется с участием поверхностей веществ.

Из моего общения с многочисленными специалистами из различных отраслей наук я пришел к выводу, что главная причина молчания проста: ученые не знают как отнестись к этой идее:

или отвергнуть, или поддержать. Чтобы сделать то или другое, надо вникнуть в суть проблемы. Сделать же это не просто, потому что здесь многие научные вопросы приходится рассматривать под новым углом зрения, необходимо перестраиваться со старого догматического мышления на новое, а способны на это только немногие, тем более что сейчас большинство ученых являются узкими специалистами в какой то определенной отрасли знаний, а исследование СРПС необходимо проводить одновременно в различных областях естественных и технических наук .

Для ее признания необходимо отказаться от некоторых, по моему мнению ошибочных представлений в теории диффузии, в понятиях о причине формирования поверхностного натяжения и свободной поверхностной энергии, о причине осмоса, считающихся классическими. Возможно, что некоторые специалисты – профессионалы, изучающие физические процессы, с большим недоверием отнесутся к этому, что мол какой-то дилетант в физике смеет сомневаться в классических представлениях. Действительно, по профессии я геолог, и являюсь дилетантом в физико-химических и математических науках. Но именно поэтому и стала возможной разработка этой идеи, что для этого потребовался пересмотр некоторых уже известных и считающихся классическими представлений физики и химии, на что, вероятно, не решился бы ни один узкий специалист по этим наукам. По-видимому, здесь типичный случай, когда все знают, что этого не может быть. Но приходит дилетант, который этого не знает и именно он и выдвигает новую идею. Моя геологическая специальность, которая предусматривает знание основ самых разнообразных физических и химических процессов для объяснения большого круга геологических явлений в земной коре и на поверхности Земли, позволила под новым углом зрения подойти к проблеме образования поверхности твердых, жидких и газообразных веществ. Все геологические процессы осуществляются с участием поверхности веществ или точнее границы раздела фаз. На основе их изучения и на их примере и возникла идея о СРПС. Также все явления в биологии и технические процессы невозможны без главенствующей роли поверхностей. Поэтому открытием СРПС мной подготовлен огромный, можно сказать необъятный фронт работ для специалистов во всех отраслях естественных и технических наук и практического ее использования во всех областях человеческой деятельности .

Ее признание приведет к кардинальной перестройке представлений о причинах возникновения множества явлений на Земле, в земной коре и ряда технических процессов, так как она участвует во многих из них. Поэтому подступиться к признанию такой гигантской глыбы весьма трудно, хотя сущность ее очень проста. Ее существование доказывается на основании простейших примеров, моделей и экспериментов, как это будет показано ниже. Поэтому пока еще ни один ученый не решился и даже не попытался аргументировано это опровергнуть, хотя мой сайт уже давно в течение почти 15 лет открыт для критических замечаний и я выступал с этими идеями на многочисленных конференциях. По существу ее открытие, как говорится – это открытие на кончике пера. Все ощущают и чувствуют ее существование и результаты ее деятельности, она проявляется повсюду вокруг нас, но никто еще до сих пор не сформулировал, что это за сила и как она возникает.

Я ее определил следующим образом:

Сущность силы заключается в том, что в период образования новых участков поверхностного слоя веществ эти участки разуплотняются и расширяются с силой равной силе температурного расширения для веществ в целом (температурная составляющая – Т-СРПС) и с силой осмотического давления для растворенных в них веществ (осмотическая составляющая – ОСРПС) .

Эта сила, в частности Т-СРПС, создается в результате своеобразных особенностей теплового молекулярно-кинетического движения молекул во время возникновения новых поверхностей веществ (увеличения поверхности жидкости при ее растекании, появлении трещин в твердом теле, обтекании газами твердых тел и т. д.). Молекулы в это время начинают совершать в процессе теплового движения более высокоамплитудные скачкообразные отклонения от своих узлов в решетке твердых веществ или скачки в сторону от поверхности жидкостей и газов по сравнению с теми, что они совершали в глубине вещества. В результате они создают разуплотненный поверхностный слой – своеобразную разуплотненную фазу вещества, наноразмерную в поперечном направлении. По существу, это важнейшая природная наноструктура, которая создается за счет действия этой силы и отличается по своим свойствам от обычных веществ. В процессе своего появления она создает давление на окружающие фазы веществ в виде СРПС .

Открытие этой силы особенно актуально именно сейчас, когда вся мировая наука переходит к более детальному изучению свойств веществ на наноуровне с исследованием наноструктур и разработкой нанотехнологий. Без знания этой силы существенный прогресс в этой области невозможен .

Последующее описание СРПС будет приведено в основном по материалам моей опубликованной ранее книги: «Действительно ли существует сила разуплотнения поверхностного слоя веществ (сила Шабалина)» (2010), где ее характеристика дана наиболее полно .

2.1.1. Признаки существования в природе Т-СРПС Общеизвестно, что конденсированные вещества, т. е. твердые и жидкие, не резко, а постепенно переходят к газообразной среде, образуя поверхностный слой толщиной в несколько нанометров, который обладает несколько меньшей плотностью, чем глубинные слои, т. е. это разуплотненный слой .

Это можно видеть на диаграмме (рис. 1), приводимой в любом соответствующем учебнике или научной работе, посвященной поверхностным явлениям. Значит, когда-то он образовался из плотной глубинной массы вещества путем ее разуплотнения и расширения, т. е. раздвигания окружающего пространства. Эти моменты образования слоя (появления глубинной массы вещества на поверхности) бывают в твердых веществах во время образования в них трещины, а в жидких веществах – в период увеличения их поверхности при растекании. Следовательно, когда глубинные слои конденсированных веществ разуплотняются и расширяются, они производят определенное давление на окружающее пространство, т. е. создавая силу .

Даже этих простейших логических размышлений достаточно, чтобы задуматься: а что же это за сила и какова ее величина? Однако до настоящего времени никто из исследователей не задумался над этим вопросом, хотя ответ очень прост и сам приходит на ум: здесь существует сила разуплотнения при формировании новых участков поверхностного слоя веществ, в данном случае Т-СРПС .

Как будет показано ниже, величина ее огромна и она превосходит почти все известные на Земле силы, сравниваясь только с силой температурного расширения веществ, которая, как известно, проявляясь в твердых веществах, способна даже сгибать Рис. 1. Типичное изображение в научных работах распределения плотности вещества стальные балки мостов или рельсы железнодорожв контакте твердого или жидкого вещества с газо- ных путей .

образной средой в зависимости от расстояния до Следующее явление над которым следовало поверхности бы задуматься: почему все твердые вещества всегда разламываются сначала вдоль трещин. Если в месте удара, например, по стеклу молотком, может образоваться незначительная микротрещина, то почему она мгновенно распространяется на всю длину стекла (до метра и более) и стекло раскалывается вдоль одной или нескольких трещин на ряд осколков. Такое распространение трещин на большое расстояние от точки удара можно объяснить только тем, что существует какая-то сила внутри самой трещины, которая инициируется воздействием механического удара, затем сама расширяет трещину и ломает стекло. Этой силой, как будет показано ниже, является Т-СРПС .

В жидких веществах, и в первую очередь в воде, имеется множество признаков существования какой-то огромной силы, которая способствует созданию ряда явлений. Например, экспериментально доказано, что сухие зерна растений впитывают воду с силой до 1000 атмосфер. Ниже мною это будет подтверждено на примере простейших экспериментов. Значит с такой же силой они должны разбухать при смачивании водой. Практически это видно на примере известного факта. В довоенное время теплоход «Харьков», который вез в трюмах груз сухого гороха, получил пробоину и сел на мель в районе пролива Босфор. Размокшим горохом этот корабль вместе с его стальной обшивкой разорвало пополам,и он пошел на дно. Две его половинки потом так и транспортировали для ремонта (Смирных, 1955) .

Экспериментально можно подтвердить такую большую силу впитывания воды в сухое дерево .

Для этого достаточно широкую сухую доску оставить под дождем и через некоторое время можно заметить, что под воздействием намокания ее верхней поверхности она приобретает корытообразный изгиб. Нетрудно представить, какую силу надо приложить, чтобы так изогнуть доску, например, толщиной 5 см. Также широко известно, что с целью закрепления топора на топорище его необходимо положить в воду и тогда, разбухнув от воды с большой силой, топорище будет прочно его удерживать .

Вода по стволам деревьев, например, кипарисов, может подниматься к их вершинам на высоту до 100 м и более, т. е. на высоту почти 30 этажного дома. Практически сделать это под силу только каким-то очень мощным насосам .

Следует отметить, что к настоящему времени известны лишь 4 действующие в воде силы: капиллярное поднятие, осмотическая сила, поверхностное натяжение, расклинивающее давление Дерягина. Сила капиллярного поднятия способна только поднять столбик жидкости в капилляре на высоту 1–2 мм. Поверхностное натяжение может только придавать капле жидкости округлую форму и удерживать ее на вертикальной поверхности в висячем положении. Давление Дерягина сопоставимо по величине с поверхностным натяжением. Осмотическое давление не превышает нескольких атмосфер и снижается с уменьшением разности концентрации растворенных веществ по обе стороны мембраны. Поэтому такой малой величиной этих сил нельзя объяснить отмеченные явления. Они возможны только как следствие какой то гораздо более мощной силы .

Огромную силу также проявляют растения, и в первую очередь деревья при своем росте, что можно показать на ряде примеров – рис. 2–3 .

Сплавляясь в этом году в очередной раз на резиновой лодке вместе со своей женой по горному участку в верховьях реки Томь с крутыми скальными берегами в Горной Шории, мы наблюдали множество примеров огромной силы роста деревьев, которые, врастая корнями в трещины скал и разламывая и приподнимая огромные блоки горных пород, с удивительной устойчивостью прочно удерживаются на самых крутых, почти отвесных участках скал (рис. 4–12) .

–  –  –

Рис. 9. Береза своими корнями вросла Рис. 10. Двуствольная береза своими корнями вросла в в вертикальную трещину в скале и удерживается пересекающиеся трещины в скалах и прочно удержитолько на этих корнях вается на них Рис. 11. Мощный кедр врос корнями в трещины Рис. 12. Стволик дерева – пихты, которая попыталась скалы на крутом склоне обнять своими корнями растущий корень кедра, оказался разорванным этим корнем пополам Каким образом эта сила проявляется в растениях, наука до настоящего времени объяснить не в состоянии. Ниже будет показано, что это может сделать только Т-СРПС .

Неясны причины таких грозных явлений, как сход оползней и снежных лавин. Вернее, казалось бы, что здесь все ясно: слабого сотрясения почвы или шумового эффекта при взрыве противолавинного снаряда над поверхностью достаточно, чтобы огромные массы грунта или снега начали самопроизвольно сходить вниз. Но почему же вся эта система начинает развиваться самопроизвольно, если начальные инициирующие толчки очень слабые. Например, для схода снежных лавин достаточно даже громкого крика. Совершенно очевидно, что здесь должна существовать какая-то сила, которая, действуя от слабого толчка, создает саморазвивающуюся систему трещин по всей массе снега или грунта, которая ослабляет прочность сцепления их составных частичек и превращает ее в рыхлую подвижную массу .

Не все ясно с проблемой морозного пучения грунтов. Известно, что вода, проникая по системе трещин в замерзающий участок грунта, превращается в лед и он, обладая большим объемом по сравнению с водой, с огромной силой расширяет массу грунта и может приподнять целые здания или опоры мостов. Но это понятно для разового процесса. Но чтобы процесс шел постоянно необходима следующая порция воды, которая должна проникнуть в этот уже находящийся под огромным давлением участок. Как же это возможно? Для этого необходима сила, сопоставимая с силой расширяющегося при замерзании льда. Что это за сила? Ответа на этот вопрос в науке нет. Но его может дать признание существования температурной составляющей силы разуплотнения поверхностного слоя веществ – Т-СРПС .

2.1.2. Признаки существования в природе О-СРПС Осмотическая составляющая СРПС имеет сравнительно небольшую величину по сравнению с температурной составляющей. Эта сила связана с диффузией молекул в растворах и проявляется при движении растворенных веществ сквозь наноразмерные поры и трещины. Ее величина соответствует осмотическому давлению растворенных в воде веществ. По существу, именно эта сила и создает осмос. Интересно, что до настоящего времени причина осмоса не ясна, что отмечается в весьма авторитетных учебниках, и именно эта неясность заставляет искать новое объяснение. В этом плане О-СРПС, как будет показано ниже, дает ему весьма простое объяснение. Это является одним из признаков существования О-СРПС .

Важнейшим свойством О-СРПС, которое будет охарактеризовано в последующих разделах, является то, что она заставляет молекулы растворенных веществ ускоренно реагировать со стенками наиболее узких участков микротрещин и микропор и быстро удаляться в их более широкие участки. В геологических процессах в земной коре неясно, почему там в условиях огромных давлений постоянно поддерживаются открытыми микропоры и микротрещины, сквозь которые многие миллионы лет происходит движение растворенных веществ, с чем связаны метасоматические процессы, рудо- и магмообразование .

Никакая физическая сила известная на Земле оказывается не способной сжать и перекрыть эти каналы. Держать их открытыми способна только О-СРПС, которая можно сказать действует не силой, а хитростью. Просто она отгоняет молекулы растворенных веществ из наиболее узких участков микротрещин в более широкие, и тем быстрее, чем более сужаются эти трещины под действием горного давления. За счет этого происходит постоянное расширение наиболее узких участков трещин в результате растворения с их стенок химических компонентов пород и перемещения компонентов в более широкие участки трещин. Это расширение происходит быстрее, чем трещины сужаются, и поэтому они постоянно остаются открытыми, несмотря на воздействие любого типа физических напряжений со стороны горной породы. Другого объяснения, кроме отмеченного действия О-СРПС, придумать невозможно и никто из геологов и не пытался этого сделать. Поэтому данный вопрос до настоящего времени оставался открытым .

Непосредственным признаком действия О-СРПС является простейший опыт, который, вероятно, видели многие, но не обращали специального внимания. Если на дно фарфоровой тарелки заполненной водой положить какие-либо железные предметы, то через некоторое время в местах их контакта с дном тарелки начинается интенсивная коррозия предметов, образование бурых окислов железа и их отгонка за пределы точек касания. Непосредственно видно, как в узких микропорах, образуемых точками касания предметов с дном тарелки, создаются окислы и затем они ускоренно удаляются за пределы этих микропор так, что сами точки остаются свободными от окислов железа. Ниже в соответствующем разделе этот опыт будет рассмотрен детальнее .

Таким образом, по существу для обнаружения действия Т-СРПС и О-СРПС не требуется каких либо специальных экспериментов, так как все их признаки мы многократно наблюдали в природе и они нам хорошо известны. Необходимо только обратить на них специальное внимание и задуматься, а что же за сила создает эти природные явления. Когда же будешь размышлять над этим, то оказывается, что известными к настоящему времени силами объяснить эти явления не представляется возможным .

2.1.3. Теоретическое и экспериментальное обоснование действия Т-СРПС газов Теоретическое и экспериментальное обоснование действия СРПС я начну с характеристики Т-СРПС газов, так как в них ее действие проявляется наиболее очевидным образом, подтверждаемым самыми простейшими моделями .

2.1.3.1. Сведения по молекулярно-кинетической теории газов, необходимые для понимания поверхностных явлений Давление В газах молекулы (или атомы) совершают хаотически-беспорядочное броуновское движение и упруго соударяются друг с другом, не теряя энергии при соударении. Эта энергия заложена в них самой природой. При нормальных температурах скорость этого движения, например для молекул воздуха порядка около 500 м/сек. Нетрудно себе представить, что количество соударений между молекулами, находящимися друг от друга на незначительных расстояниях чрезвычайно велико и по расчетам составляет около 1010 раз в секунду. Давление создается за счет ударов всех молекул о стенку сосуда. Каждая молекула при соударении с ней создает определенное давление .

При этом следует обратить внимание, что в создании этого давления участвуют не только те молекулы, которые непосредственно ударяют о стенку, а практически все молекулы присутствующие в объеме сосуда. Масса молекул в процессе многочисленных хаотических соударений друг с другом создает своеобразный решетчато-пружинный механизм, который давит на стенки сосудов. В нем каждая молекула как бы соединена с соседними своеобразными пружинками, которые действуют только на расширение. Они с тем большей силой создают давление, чем ближе молекулы располагаются друг к другу, как это происходит в газе находящемся под большим давлением. Молекулы в этом механизме связаны друг с другом через взаимные соударения. Чем они ближе друг к другу, тем чаще они соударяются между собой и тем большее давление создает этот механизм на стенки сосуда .

Кроме этого отталкивающего механизма, между молекулами действует еще и другой противоположно действующий, т. е. притягивающий механизм. Он создается за счет действия ван-дерваальсовых сил притяжения молекул друг к другу на определенных достаточно близких расстояниях, сопоставимых с размерами молекул. Поэтому существует понятие о так называемом идеальном газе и реальном газе. К первому относится разреженный газ с достаточно большой длиной свободного пробега молекул, значительно большей радиуса действия ван-дер-ваальсовых сил. Поскольку молекулы в нем довольно далеко располагаются друг от друга, то соударения между ними относительно редки .

Имея в виду, что на соударения они тратят времени примерно в 1000 раз меньше, чем на свободный полет, то те редкие случаи сближения в период соударения, когда молекулы испытывают взаимное притяжение, практически не оказывают влияние на силу отталкивания молекул друг от друга. Но как только давление, т. е. плотность молекул начинает возрастать и их сближение и соударение становятся все более частыми, так фактор взаимного притяжения ван-дер-ваальсовыми силами начинает играть все более заметную роль и, соответственно, изменение общего давления несколько отклоняется в сторону ослабления от того уровня, который существовал в разряженных газах. Эти газы называют реальными газами и в формулы вводятся соответствующие поправки. Чем больше плотность газов, тем больше возрастает сила их взаимного притяжения, вплоть до преобладания последней на очень близких расстояниях и образования в этом случае плотной массы жидкости и затем твердого тела .

Вязкость Вязкость газов, а также и жидкостей – это свойство, благодаря которому выравниваются скорости движения различных слоев газа. Выравнивание скоростей соседних слоев происходит благодаря тому, что из слоя газа с большей скоростью движения переносится импульс (количество движения) к слою, движущемуся с меньшей скоростью. Это свойство также как и передача температуры от одной части тела к другой связана с тепловыми движениями молекул. Если бы не было этого движения, газы и жидкости были сверхтекучими, т. е. не имеющими вязкости и трения. Но если при передаче температуры от более нагретого слоя его молекулы как бы подталкивают медленнее двигающиеся молекулы слабее нагретого слоя, ускоряя их тепловое движение, то вязкость обусловлена тем, что молекулы, совершая тепловые скачки, стремятся ускорить не тепловое движение молекул соседнего слоя, а увеличить скорость его движения относительно этого слоя. Для понимания этого представим себе, что слой газа А движется относительно параллельного ему слоя В с большей скоростью (рис. 13) .

Значит, любая двигающаяся молекула, которая пересекает его и попадает в слой В движется с той же тепловой скоростью, с которой она двигалась до пересечения границы между ними (например 500 м/с). Эта тепловая скорость практически не изменяется, так как температура обоих слоев одинакова .

Но молекула кроме теплового движения еще продолжает по инерции двигаться с той же скоростью, что и весь слой А относительно слоя В вдоль него (например, 2 м/с). Попадая в слой В с этой большей скоростью относительного движения, она сталкивается в продольном направлении с медленнее двигающимися в этом же направлении (например, 1 м/с) молекулами этого слоя, как бы зацепляясь за них. Благодаря этому ускоряется относительное движение последних, а значит, и ускоряется движение всего слоя относительно другого. Так два смежных слоя оказываются тесно связанными в своем параллельном движении .

Причем, чем больше двигающийся слой способен ускорить движение соседнего слоя, тем больше вязкость его .

Если представить себе обратный процесс, что молекула из более медленно двигающегося слоя В попадает в более быстро продвигающийся слой А. Значит, она двигаясь медленнее уже в составе этого слоя и соударяясь с его молекулами, будет тормозить его движение, стремясь сблизить с той скоростью, с коРис. 13. Схема возникновения вязкости (внутреннего торой двигается слой В. Таким образом, молетрения) на границе двух слоев газа или жидкости, двикулы обоих смежных слоев в процессе обмена гающихся с разной скоростью относительно друг друга (жирные стрелки). Тонкие стрелки – скачки молекул из скоростями взаимного продвижения друг отодного слоя в другой. Пунктирные стрелки – относи- носительно друга, создают тесную взаимотельные скорости движения этих молекул вдоль грани- связь между слоями, которая выражается в цы слоев в то время, когда они совершают скачки виде вязкости, т. е. внутреннего трения .

Молекулярно-кинетическое правило тепловых явлений в природе Подход к характеристике Т-СРПС я начну с объяснения молекулярно-кинетического правила возникновения температурных тепловых явлений в природе, создающихся под действием определенных сил. Рассмотрение этого очень важного вопроса поможет более четкому пониманию явлений на поверхности веществ. Здесь я пока не касаюсь собственно тепловых явлений при возникновении поверхностного слоя, так как это будет сделано при сопоставлении этих сил с действием Т-СРПС и это будет служить дополнительным подтверждением существования последней .

Температура нашими органами чувств определяется как «горячее» или «холодное». Она отградуирована по точке замерзания воды – 0 °С и кипения воды – 100 °С. Организм человека осуществляет комфортную жизнедеятельность только при температуре 36,6 °С. Если его касается предмет нагретый выше этой температуры, то жизнедеятельность клеток кожи в точке касания отклоняется от нормальной и нервная система сигнализирует об этом как «горячо». Касание предмета или газа с более низкой температурой также фиксируется организмом как не нормальное – «холодно». Очень низкие или высокие температуры, особенно приданные большим площадям тела, могут полностью разрушить жизнедеятельность биологических клеток вплоть до гибели организма, который сопротивляется этому всеми своими внутренними возможностями .

mV 2 Температура определяется энергией движения молекул –, т. е. скоростью их движения и массой. Чем больше возрастает один из этих параметров или оба они вместе, тем выше температура .

Физически для живого организма это означает, что более тяжелые молекулы и с большими скоростями наносят в процессе своего движения гораздо большие нарушения в жизнедеятельности биологических клеток в точке соприкосновения, чем более легкие и с меньшими скоростями. Поэтому организм фиксирует это как более высокую температуру. Это понятно и из обыденной жизни. Чем больше скорость и вес брошенного камня, тем больший вред он причинит человеку, если попадет в него .

Температура передается от одного нагретого вещества к другому путем передачи кинетической энергии движения молекул в местах соприкосновения веществ. Молекулы более энергично двигающиеся, соударяясь с молекулами другого вещества в этих местах, как бы подталкивают их, заставляя их также двигаться с большей скоростью, а те, в свою очередь передают этот импульс движения соседним молекулам. Так что постепенно фронт нагревания продвигается и охватывает все более холодное вещество. Само нагретое вещество, передав часть энергии движения молекул, охлаждается, так как она перераспределяется поровну между двумя веществами в большем объеме .

Температура в газах может возрастать или уменьшаться также в результате таких физических процессов, как их сжатие и расширение или в эффекте Джоуля-Томсона. Рассмотрим эти процессы детальнее, что позволит потом объяснить молекулярно-кинетический механизм тепловых явлений в поверхностном слое веществ .

Известно, что при адиабатическом сжатии газа, т. е. без обмена теплом с окружающей средой, происходит его нагревание, а при расширении – охлаждение. Термодинамически это объясняется работой сил, связанных с изменением давления газа. При сжатии работа совершается внешней механической силой и за счет этого растет внутренняя энергия, а значит и температура газа. При расширении газа работа совершается за счет его собственной внутренней энергии, поэтому температура его снижается. Это в равной мере относится как к идеальному, так и к реальному газу .

Молекулярно-кинетический механизм изменения температуры при этих процессах, например

А.К. Кикоин и др. (1963) объясняют следующим образом:

«Представим себе сосуд с газом в виде цилиндра с поршнем (рис. 14). Пусть поршень поднимается вверх со скоростью V (газ расширяется). Рассмотрим некоторую молекулу, движущуюся со скоростью с в том же направлении, что и поршень. Если скорость этой «догоняющей» поршень молекулы относительно стенок сосуда равна c, то относительно поршня ее скорость равна c – V. После того, как наша молекула «догонит» поршень и произойдет упругий удар, ее скорость относительно поршня должна остаться попрежнему c – V, хотя теперь она движется не вслед за поршнем, а от него. Это значит, что скорость ее относительно стенок сосуда должна быть меньше прежней на величину c – 2V. Таким образом, все молекулы, сталкивающиеся с движущимся поршнем, отражаются от него с меньшей, чем до удара скоростью. Это и приводит к уменьшению средней скорости молекул, а следовательно, и к понижению температуры. Таким образом, при обратном движении поршня, должно произойРис. 14. Схема распределения скоростей молекул газа при движении поршня вверх ти повышение температуры» (с. 129) .

Проще говоря, авторы представляют себе этот процесс примерно так: если бросать камень в бегущего человека, то он сильнее ударит человека бегущего навстречу камню и, наоборот, слабее, если человек бежит от камня в противоположную сторону .

Хотя логически эти представления кажутся верными, но не учитывается количественное различие скоростей движения поршня и молекул. Поршень двигается, например, со скоростью 0,5 м/с, а скорость молекул составляет около 500 м/с, т. е. в 1000 раз больше. Поэтому, если поршень замедляет скорость движения молекулы на 1 м/с, то величина эта настолько незначительна, что вряд ли может заметно сказаться на общей скорости движения молекул .

Я даю этим процессам иное молекулярно-кинетическое объяснение .

Главным фактором, определяющим температуру газа является кинетическая энергия, и в первую очередь скорость, с которой молекулы соударяются друг с другом, со стенками сосудов или с кожей человека. Эту скорость можно назвать скоростью соударения. Но кроме нее следует выделять еще среднюю скорость движения молекул при отскоке друг от друга и полном выходе за пределы действия ван-дер-ваальсовых сил, а также до входа в них обратно, т. е. это скорость их свободного полета, не связанная ни с какими притягивающими силами. Она может изменяться при нагревании или охлаждении газа и под влиянием этого также воздействовать на скорость соударения молекул. Зависит она от того, насколько далеко молекулы способны отдалиться друг от друга за пределы действия притягивающих их ван-дер-ваальсовых сил в зависимости от плотности газа .

Если представить себе газ, находящийся в двух сосудах под разным давлением, то главным различием будет разное расстояние между молекулами в более и менее плотном газе (рис. 15). Радиус, и значит, сфера ван-дер-ваальсового притяжения между ними в обоих сосудах одинакова. В менее плотном газе эти сферы при равномерности распределения молекул почти не перекрываются: после отталкивания друг от друга они обычно улетают за пределы сферы ван-дер-ваальсова притяжения .

Следовательно, притяжение, тормозящее скорость их полета, сохраняется в подавляющем большинстве соударений по всей длине радиуса действия ван-дер-ваальсовых сил (рис. 16). Поэтому средняя скорость движения молекул, следовательно и, кинетическая энергия максимально снижается в более разреженных газах .

Если расстояние между молекулами уменьшается при повышении давления, то молекулы после соударения все чаще не удаляются друг от друга за пределы действия ван-дер-ваальсовых сил, а остаются внутри этого действия. Удалению препятствуют соседние молекулы, которые часто оказываются настолько близко от соударяющихся молекул, что отталкивают их назад, когда они еще не прошли весь радиус сферы действия этих сил .

Молекулы при движении друг от друга после соударения снижают свою скорость не на всей длине радиуса действия ван-дер-ваальсовых сил, а на более коротком его отрезке. Следовательно, при удалении друг от друга они встречаются с соседРис. 15. Схема взаимного притяжения (стрелки) моними молекулами и соударяются с ними на более лекул (черные кружки) в газах с меньшим (слева) и высоких скоростях движения. Это создает эффект большим (справа) давлением под действием ван-дербольшей скорости соударения молекул в более ваальсовых сил (пунктир – сферы их действия) плотном газе .

Значит, если сжимать газ поршнем в адиабатических условиях, то кинетическая энергия молекул должна возрастать в результате простого их сближения друг с другом. Возникает парадоксальное явление. По существу, абсолютная средняя скорость молекул не изменилась, т. е. никакая сила не способствует ускорению их движения. Например, как отмечалось выше, при передаче тепла от более нагретого вещества к менее нагретому молеРис. 16. Движение молекул (черные кружки) после кулы первого с силой как бы подталкивают молеотскока друг от друга. Пунктирные окружности – сферы действия притягивающих ван-дер-ваальсовых кулы второго, ускоряя их движение. Здесь же ничесил. В зоне перекрытия этих сфер стрелками показа- го подобного нет, но увеличивается скорость, на ны силы взаимного притяжения молекул которой молекулы встречаются и отскакивают друг от друга, так как в среднем сократился тормозящий путь действия ван-дер-ваальсовых сил. Это приводит к возрастанию скорости соударения молекул, т. е. энергии их движения и соответствующему росту температуры при сжатии в адиабатических условиях. Именно эта скорость и определяет температуру газа .

Если эти более плотно расположенные молекулы на таких скоростях соударяются со стенкой сосуда или кожей человека, то он почувствует более высокую температуру, чем температуру разреженного газа с меньшими скоростями взаимного соударения молекул. Чтобы выровнять температуру до той, что была до сжатия, газ надо охладить, т. е. снизить скорость, при которой молекулы соударяются друг с другом до скорости, с которой они встречались в газе до его сжатия .

Следует подчеркнуть, что это явление создает фактор близости молекул друг к другу, а не фактор увеличения частоты их соударения, так как их скорость в момент входа и выхода из сферы действия ван-дер-ваальсовых сил всегда одинакова. Но если близость молекул не позволяет им выйти из сферы действия этих сил, то скорость соударения будет больше, несмотря на постоянство средней скорости их свободного полета за пределами действия сил .

Если движением поршня переводить сжатый газ в более разреженное состояние, то произойдет обратный процесс. С увеличением расстояния между молекулами будет возрастать интервал того пробега молекул, который совершается в сфере действия притягивающих ван-дер-ваальсовых сил после каждого отскока молекул друг от друга, так как они сейчас будут пробегать всю длину радиуса действия этих сил, которые, следовательно, будут более длительное время тормозить движение молекулы и поэтому ее скорость на выходе из сферы будет меньше, чем в более плотном газе. Поэтому кинетическая энергия молекул уменьшится, что будет фиксироваться как снижение температуры газа .

Причем изменение температуры газа обусловлено действием не внешней механической силы, как при сжатии газов, а силы внутренней кинетической энергии расширяющегося газа. Та часть кинетической энергии, которой обладали молекулы в сжатом газе, была затрачена на преодоление сил притяжения между ними и соответствующее уменьшение скорости их движения. Внешне эта затрата энергии выражается в проявлении силы расширения газа, способной совершить механическую работу по передвижению поршня и поднятию на нем определенного груза. Чем больше давление, под которым находится газ, тем больше сила, с которой он может совершить такую работу. Это связано с тем, что при сжатии газа молекулы все более сближаются и между ними упругие силы отталкивания все более возрастают, т. е. усиливается действие решетчато-пружинного механизма, связывающего их. В отталкивании начинает участвовать все большее количество молекул в единице объема и каждая вносит свою долю в создание силы. Ван-дер-ваальсовы силы притяжения между молекулами также усиливаются стремясь уменьшить эту силу, но их влияние гораздо менее заметно, так как их увеличение по абсолютной величине не велико, в то время как увеличение количества молекул может достигать нескольких порядков в зависимости от степени сжатия. Можно так образно сказать, что газ при своем расширении возвращает ту механическую силу, которая была затрачена на его сжатие .

Чтобы сохранить температуру прежней, разреженный газ надо нагреть, т. е. увеличить среднюю скорость молекул до той, на которой они соударялись в более плотном газе. В этом случае средняя скорость движения молекул разреженного газа будет повышена, так как им придана дополнительная энергия .

В том случае, если газ расширяется в вакуум, т. е. без создания какой-либо работы в виде поднятия груза, то молекулы мгновенно оказываются в вакууме и практически не соударяются друг с другом, а только со стенками сосуда. Это значит, что они имеют совершенно ту же скорость соударения, которой они обладали в сжатом газе, так как оказались мгновенно в пустом пространстве. Они соударяются с этими скоростями только со стенками сосуда и поэтому стенки сосуда или термометра имеют ту же температуру, что и была до расширения газа. Если же расширение газа производить постепенно, т. е .

сдерживать его, приложив определенную силу, то молекулы в процессе взаимного соударения постепенно понизят свою скорость и, соответственно, температуру газа .

Таким образом, при одной и той же температуре средние скорости движения молекул в плотном газе меньше, чем в более разряженном газе, хотя соударяются они друг с другом и со стенками сосудов на одинаковых скоростях .

Это подтверждается тем, что для конденсации газа и превращения его в жидкость надо газ охладить до низких температур, т. е. снизить среднюю кинетическую энергию движения молекул настолько, чтобы они уже не смогли удалиться из сферы притяжения ван-дерваальсовыми силами и соединились вместе, образовав жидкости. Наоборот, чтобы конденсированные, т. е. жидкие вещества перевести в газы, надо их нагреть до критической температуры. По мере нагрева средняя скорость молекул и, следовательно, кинетическая энергия возрастают, вещества начинают расширяться и переходят в газообразное состояние. Значит если в жидкостях (в твердых веществах) скорость молекул меньше, чем в их газообразных фазах, то совершенно очевидно следующее: по мере перехода к более плотному газу (с повышенным давлением) при одной и той же температуре средняя скорость движения молекул замедляется, и это замедление достигает максимума, когда газ преобразуется в плотную жидкость .

С позиции термодинамики это объясняется уменьшением внутренней энергии газа за счет возрастания потенциальной энергии, связанной с более сильным ван-дер-ваальсовым взаимодействием молекул .

Основываясь на этих представлениях можно дать молекулярно-кинетическое объяснение эффекта Джоуля-Томсона. Сущность эффекта заключается в том, что газ при достаточно большом, но постоянном давлении вынуждают протекать через теплоизолированную пористую перегородку или через узкое отверстие (дроссель) в сосуд с меньшим давлением газа (рис. 17). Это значит, что протекание газа происходит адиабатически, т. е. без обмена теплом с внешней средой. Газ, проходя дроссель, расширяется. Для того чтобы течение газа было стационарным, т. е. происходило при постоянных значениях давлений, по обе стороны дросселя, необходим компрессор, который поддерживал бы постоянную разность давлений .

Расширение газа после прохождения дросселя сопровождается изменением его температуры, причем она может как понижаться, так и повышаться. Во время дросселирования при комнатной температуре наиболее легких газов (водород и гелий) температура повышается, а более тяжелых газов (кислород, азот, углекислый газ и др.) – понижается .

Термодинамически изменение температуры объясняется тем, что при расширении газа увеличивается расстояние между молекулами и, следовательно, совершается внутренняя работа против сил взаимодействия между молекулами. За счет этой работы изменяется кинетическая энергия молекул, а, значит и температура газа .

При знакомстве с литературой я обнаружил, что в науке отсутствует собственно молекулярнокинетическое объяснение дроссельного эффекта. По-видимому, я впервые даю такое объяснение на основе вышеизложенных представлений о причине температурных изменений при сжатии и расширении газов .

Сжатый газ, проходя дроссель, попадает в атмосферу пониженного давления и расширяется .

Значит медленнее двигающиеся молекулы сжатого газа попадают в разреженную атмосферу, где их скорости должны быть выше при той же температуре, как показано выше. Но если их скорости ниже нормальных для этого разреженного газа, значит газ определяется как более охлажденный. Это происходит в более тяжелых газах при умеренной температуре. Но почему же при выходе из дросселя нагреваются более легкие газы – водород и гелий?

По моему мнению, главная причина этого – различная скорость движения легких и тяжелых молекул. Известно, что скорость молекул водорода в несколько раз выше скорости молекул азота при одной и той же температуре. Когда молекулы азота переходят дроссель, то вследствие их невысокой скорости в этом объеме создается заметный градиент давления вдоль стенок сосуда (рис. 6). Вблизи дросселя давление практически равно давлению сжатого газа и оно постепенно уменьшается по мере удаления от него. Этот градиент давления поддерживается стабильным за счет действия компрессора. Но в пределах этого стабильного фронта все молекулы газа непрерывно двигаются, переходя из зон с повышенным давлением в зоны с пониженным давлением. Если выделить два смежных объема газа поперек фронта с меняющимся давлением, то можно представить себе, что каждая молекула, переходя из зоны повышенного давления в зону с пониженным давлением попадает в условия, когда ее кинетическая Рис. 17. Схема действия дроссельного эффекта с понижением температуры (вверху), когда создается скорость оказывается аномально низкой для этой зоны. Поэтому здесь газ должен иметь более низградиент давления (концентрации) в сосуде при температуре ниже температуры инверсии и с повы- кую температуру, т. е. фиксироваться термометшением температуры (внизу), когда градиент давле- рами, как более охлажденный. Такое явление прония в сосуде отсутствует при температуре выше исходит в любой бесконечно малой зоне и поэтотемпературы инверсии му весь газ в целом охлаждается .

Если скорость молекул газа, таких как водорода и гелия очень высокая, то создание градиента давления практически невозможно. Быстро двигающиеся молекулы, проходя дроссель, мгновенно выравнивают давление газа во всем этом объеме. Значит каждая новая порция газа, попадая сюда, мгновенно увеличивает концентрацию молекул, причем раньше, чем компрессор отсосет отсюда газ и доведет его до прежней стабильной плотности. Поэтому плотность газа сначала увеличивается и, соответственно, он нагревается, как это происходит при его сжатии поршнем .

Тяжелые газы при дросселировании также могут нагреваться. Но это происходит, если они предварительно нагреты до более высоких температур, называемых температурами инверсии. Здесь начинается влияние фактора высоких скоростей движения молекул, когда исчезает градиент давления в разреженном газе и дроссель начинает работать на его сжатие, подобно тому как поршень сжимает газ .

Значит, причиной дроссельного эффекта с понижением температуры является сила, создаваемая внутренней энергией расширяющегося газа, как и при расширении газа под действием движущегося поршня. Действие этого же эффекта с повышением температуры также связано с силой внутренней энергии газа, но в этом случае она направлена на сжатие разреженного газа силой давления более плотного газа .

Следует отметить, что действием определенных сил обусловлено изменение температуры и в химических, ядерных процессах и адсорбционных явлениях .

Химические процессы можно показать на примере реакции кислорода и водорода .

Кислород – очень активный реагент, взаимодействующий с большинством химических элементов на Земле, образуя окислы. Причиной такой активности является ярко выраженная способность под действием определенных сил соединяться с атомами других веществ, т. е. как бы склеиваться с ними при соударениях. Это называется сродством элемента к кислороду. При соединении этих атомов с кислородом в большинстве случаев выделяется тепло, т. е. это экзотермические реакции.

Причину появления теплоты можно видеть на примере простейшей реакции водорода с кислородом:

2 H 2 O2 2 H 2O 136,6 ккал В этой реакции более легкие и, значит, более быстро двигающиеся молекулы водорода и кислорода, объединяясь в процессе соударения, образуют более тяжелую молекулу воды, скорость которой после своего образования столь же высока, как и та, с которой двигались ранее ее составные части .

Но эта скорость аномально высока при тех температурах, при которых происходит реакция. Это аномалия фиксируется термометрами как резкое повышение температуры в процессе реакции, носителем которого являются молекулы воды, после реакции двигающиеся с высокими скоростями .

Здесь происходят два явления – соединение молекул водорода и кислорода в молекулу воды и затем переход этой молекулы в состоянии аномально высоких скоростей и энергий. Это подобно процессам при сжатии газов – сначала их сжатие, а затем возникновение аномальных условий, когда их температура повышается .

Подавляющее большинство химических реакций, идущих с усложнением молекул, т. е. с образованием из легких более тяжелых, сопровождается выделением тепла – экзотермические реакции .

Тогда как обратный процесс распада молекул в результате действия определенных сил на более легкие связан с поглощением теплоты – эндотермические реакции. Более тяжелые молекулы двигаются с медленными скоростями. Но при их распаде на более легкие молекулы – эти продукты реакции также продолжают двигаться с этими же медленными скоростями, что аномально для них при тех же температурах, при которых начала осуществляться реакция, ведь скорости движения этих более легких частиц должны быть в этих условиях выше. Но существующие невысокие скорости уже фиксируются термометрами как понижение температуры реагирующей смеси .

Очень интересный пример такого рода изменения дают реакции с водородом, в частности, описанные в учебнике Ф.А. Валькова (1963). При наблюдении за горением электрических лампочек одинаковой мощности, заполненных водородом и другими газами, было замечено, что в первых нить накаливания светится тусклее, а стеклянная оболочка нагревается сильнее, чем во вторых. Этого собственно и следовало ожидать, так как теплопроводность водорода, молекулы которого имеют большую скорость, выше теплопроводности других газов с более массивными молекулами. Поэтому отдача теплоты нитью происходит сильнее в лампочках, наполненных водородом, чем другими газами. Но когда стали производить количественные измерения, то оказалось, что теплота оттекает от нити во много раз быстрее, чем следовало бы ожидать, исходя из скорости движения молекул водорода. На основании этих наблюдений был сделан вывод, что у поверхности нити происходит распад молекул водорода на атомы, идущий с поглощением теплоты, а на стенках стеклянной оболочки лампочки – соединение последних в молекулы, сопровождающееся выделением теплоты. Эти процессы были использованы с целью получения пламени атомного водорода в специальной горелке. Водород, проходящий через электрическую дугу, образованную двумя вольфрамовыми электродами, диссоциирует на атомы. Образующийся атомный водород, попадая на твердую поверхность, которую надо расплавить, превращается в молекулярный, и при этом развивается температура свыше 4000 °С, когда плавятся даже самые тугоплавкие из металлов .

Ядерные реакции связаны обычно с делением тяжелых ядер урана. Под действием быстро летящих нейтронов ядра делятся на два ядра-осколка примерно половинной массы и заряда. Этот процесс сопровождается испусканием нескольких (двух-трех) нейтронов (рис. 18). Благодаря взаимному электростатическому отталкиванию осколки деления разлетаются в противоположные стороны, приобретая огромную кинетическую энергию (около 160 МэВ). Реакция деления происходит, таким образом, со значительным выделением энергии .

Значит, в отличие от обычных химических реакций, где при образовании более легких частиц из первичных более тяжелых происходит понижение температуры, здесь осуществляется, наоборот, резкое повышение температуры. Это обусловлено тем, что кулоновские силы отталкивания ядерных частиц друг от друга настолько сильны при распаде ядер, что они сами способны мгновенно разогнать их осколки до больших скоростей, аномально высоких для них в тех условиях, что фиксируется как резкое повышение температуры .

Термоядерные процессы осуществляются до некоторой степени подобно обычным химическим реакциям, хотя и на другом уровне энергий. В недрах звезд или при взрыве водородных бомб ядерные частицы – четыре протона водорода – образуют ядро гелия, два позитрона и два нейтрона. Более тяжелое ядро гелия окаРис. 18. Деление ядра урана под действием нейтронов: а) зывается в состоянии тех же огромных ядро захватывает нейтрон; б) удар нейтрона о ядро приводит скоростей движения, что и протоны водопоследнее в колебания; в) ядро делится на два осколка; при рода что выражается как резкое повышеэтом испускается еще несколько нейтронов ние температуры реакции .

Ряд обычных ядерных реакций также происходит в процессе образования легких частиц из более тяжелых. Например, при реакции -частицы (т. е. ядра атома гелия) с бериллием образуется ядро углерода и нейтрон. Кинетическая энергия продуктов этой реакции больше на 5,7 МэВ кинетической энергии исходных ядер, что сопровождается выделением тепла .

При адсорбции атомов или молекул из газа на поверхность твердых веществ также выделяется тепловая энергия, образование которой обусловлено притяжением их к поверхности и удержанием там на некоторое время. Эти быстрые молекулы, притягиваясь к поверхности ван-дер-ваальсовыми силами, попадают в аномальные для них условия, где нормальная скорость молекул в условиях близости к поверхности гораздо ниже при той же температуре. Поэтому появление этих быстрых, можно сказать, «горячих» частиц фиксируется как повышение температуры поверхностного слоя, аналогично процессу сжатия газов. Чем сильнее эти частицы притягиваются, тем больше повышение температуры .

При десорбции частиц с поверхности происходит обратный процесс: из массы более медленно двигающихся вблизи поверхности частиц, некоторые переходят обратно в газовую среду, и разуплотняют слой адсорбированных молекул, поэтому он охлаждается .

Таким образом, существует два этапа в процессе создания тепловых явлений при сжатии и расширении газов, химических, ядерных и термоядерных реакциях, при адсорбции и десорбции молекул на поверхности веществ, в дроссельном эффекте. Первый этап – это действие, т. е. работа определенных сил, а второй – возникновение в результате этого нового аномального состояния веществ, фиксируемого по изменению их температуры .

В целом, я предлагаю следующее молекулярно-кинетическое правило тепловых явлений:

изменение тепловой энергии веществ при физико-химических и ядерных процессах происходит под воздействием определенных сил: внешних механических сил при сжатии газов и внутренней силы кинетического движения молекул при их расширении, силы расширяющегося более плотного газа в менее плотном в дроссельном эффекте Джоуля-Томсона, сил соединения или разъединения частиц при химических, ядерных и термоядерных реакциях, ван-дер-ваальсовых сил притяжения частиц к поверхности или отталкивания от нее за счет избыточной кинетической энергии при адсорбционных явлениях, вслед за действием которых частицы оказываются в аномальных для той же температуры условиях кинетического движения, что фиксируется термометрами как соответствующее изменение температуры .

В последующих разделах это правило будет использовано для объяснения действия сил и тепловых явлений в процессе формирования поверхностного слоя веществ .

Здесь я хочу еще раз подчеркнуть, что все изменения тепловой энергии происходят под действием определенных сил. Значит и изменение температуры поверхностного слоя, например, его охлаждение при появлении новых его участков происходит под действием определенной силы .

По моему мнению, таковой силой является Т-СРПС газообразных, жидких и твердых веществ .

Что это за сила и как она возникает рассмотрим в следующих главах .

2.1.3.2. Моделирование поверхностных явлений в газах Газы выбраны в первую очередь для моделирования, так как на их примере можно более четко понять сущность проявления Т-СРПС. Правда парадоксальным является тот факт, что если в контакте конденсированных веществ с газом о существовании разуплотненного поверхностного слоя в этих веществах было известно, то о том, что и сами газы на этом же контакте также образуют разуплотненный поверхностный слой, т. е. здесь они также находятся в разуплотненном состоянии, в науке никем не отмечалось. Тем более никто не говорил о существовании в самих газах Т-СРПС. Я говорю об этом впервые и это можно показать на простейших примерах и экспериментах .

Объяснение поверхностных явлений на примере газа, в котором мгновенно появляется перегородка Представим себе, что в закрытом сосуде с газом мгновенно появляется бесконечно тонкая перегородка, не создающая увеличения давления газа в целом в сосуде. Мгновенность появления такой перегородки соответствует тому случаю, когда глубинные слои газа подходят к его поверхности при увеличении объема сосуда; для жидкости это равнозначно периоду ее растекания. Все молекулы газа, оказавшиеся вблизи перегородки на расстоянии, меньшем длины свободного пробега каждой молекулы, в это первое мгновение со стороны (вернее, с обеих сторон) перегородки стали ближе к точке своего соударения, чем были до этого ранее, так как им еще надо было долететь до соседних, более далеко расположенных, молекул (рис. 19). Иначе говоря, средний свободный пробег каждой из этих молекул стал короче. А это значит, что все они начали испытывать состояние большей плотности и давления. Парадокс заключается в том, что фактически плотность газа у перегородки не изменилась, поскольку перегородка имеет бесконечно малую толщину и поэтому не уменьшает объем газа. Но сила давления газа проявляется через среднюю длину свободного пробега: чем она меньше, тем больше давление .

Например, одна молекула внутри пустоты диаметром только немного больше диаметра молекулы будет соударяться в процессе своего движения со стенками этой пустоты огромное количество раз и создавать этим большое давление на стенки. Но внутри пустоты диаметром 1 м эта молекула будет соударяться со стенками гораздо реже и создаст на них ничтожное давление. Количество молекул в обоих случаях не изменилось, а давление резко различается за счет разной длины свободного пробега, от которой оно и зависит непосредственРис. 19. Сокращение длины свободного пробега молекул в газе с но. Именно от среднего расстояния свободного пробега молекул зависит величина создаваемого ими давления, и если что-то уменьшает обеих сторон перегородки (жирная линия) в случае мгновенного или увеличивает это расстояние, то изменение давления от этого и появления стенки и создания ею зависит, в том числе и от плотности молекул в единице объема. Но, эффекта повышенной плотности как отмечено выше, плотность является не единственным фактором, распределения молекул вблизи способствующим изменению среднего пробега молекул и давления нее. Пунктирные линии – сокрагаза. Близость каждой молекулы к стенке также создает для каждой щенные у перегородки длины молекулы состояние, когда средняя величина ее свободного пробега свободного пробега молекул, сплошные – полные длины пробе- сокращается .

Молекулы, оказавшиеся вблизи перегородки в условиях более га; кружки – молекулы, показанкороткого среднего пробега (а значит, в состоянии большей плотноные для случае их равномерного сти и сжатия), должны удаляться от нее в объем газа, где средний распределения их пробег больше. За счет этого будет создаваться разуплотнение молекул в пристеночном слое, его объем будет стремиться к увеличению, и за счет этого будет возникать давление на стенку и прилегающий объем газа. Причем, чем ближе молекулы оказываются к стенке, тем короче расстояние их свободного пробега до нее, тем большую плотность они будут испытывать и тем большее разуплотнение создавать .

Это будет происходить в первое мгновение появления перегородки. После ускоренного ухода каждой молекулы из пристеночного слоя на ее место будут приходить другие молекулы из объема газа, чтобы заполнить образовавшуюся пустоту. Но приходить все они будут с одинаковой скоростью, зависящей от общей плотности в объеме газа, тогда как уходить от стенки – с разной скоростью, возрастающей по мере приближения к стенке. Поэтому состояние разуплотненности газа, увеличивающееся по мере приближения к перегородке, будет постоянным равновесным состоянием пристеночного слоя. Причем общее количество соударения каждой из имеющихся здесь немногочисленных молекул между собой и со стенкой сосуда будет равно количеству соударений между собой молекул в объеме газа. Это выравнивание осуществляется за счет резкого увеличения доли соударений каждой молекулы со стенкой по мере приближения к ней. После разуплотнения поверхностного слоя молекул общее давление в нем равно давлению в любом участке объема газа, и таким образом весь газ приходит в состояние равновесия .

Можно сказать то же самое по-другому. Каждая уходящая от стенки молекула оставляет позади себя в некотором роде вакуум, который затем заполнится молекулой, пришедшей из объема газа. Но это может осуществиться только после ухода первой молекулы, т. е. какое-то время будет существовать этот вакуум. Чем больше таких уходов-приходов молекул по направлению к перегородке, тем больше количество таких пустот и тем большим будет разуплотнение газа .

Таким образом, мгновенное появление новой поверхности в газе сопровождается возникновением силы, связанной с разуплотнением его поверхности в результате ускоренного ухода молекул от стенки сосуда вглубь газа .

Объяснение с использованием понятия вероятностного контура свободного пробега молекул Мной предложено понятие вероятностного контура свободного пробега молекулы, под которым подразумевается поверхность, оконтуривающая среднюю вероятную длину свободного пробега каждой молекулы от одной точки пространства до столкновения ее с другими молекулами или стенками вмещающего сосуда (рис. 20). Сопоставим изменение вероятностного контура в объеме газа и у стенки сосуда .

Если в закрытом сосуде все молекулы газа распределяются равномерно, т. е. находятся в условиях одинакового давления, то вероятностный контур каждой молекулы имеет правильную сферическую форму, так как вероятная длина свободного пробега до соударения с соседними молекулами одинакова во все стороны. При различии давления в разных участках сосуда, когда имеется меньшее количество молекул в направлении пониженного давления, конфигурация вероятностного контура становится асимметричной. Если существуют различия в давлении на границе между двумя частями газа, разделенными перегородкой, то в начальный момент после удаления этой перегородки вероятностный контур имеет конфигурацию двух соединенных полусфер – большего и меньшего диаметра .

Когда давление в сосуде начнет выравниваться и обладать определенным градиентом, вероятностный контур приобретает конфигурацию, среднюю между этой фигурой и полной сферой, т. е. будет Рис. 20. Вероятностные контуры (фигуры с радиальными линиями) свободного пробега молекулы в объеме газа. Показано на примере последовательных стадий выравнивания градиента давления (и концентрации) с начального момента снятия перегородки, разделяющей газ при разных давлениях в сосуде, до полного выравнивания градиента давлений. Стрелками показано направление ориентированного движения молекул соответствовать асимметричному эллипсоиду вращения, в котором центр смещен в сторону более плотного газа. Это связано с тем, что молекулы до соударения с соседними совершают более длительный пробег в сторону более разреженного газа, так как в этом направлении молекулы более удалены друг от друга, чем в обратном. Следовательно, каждая молекула, совершая более длительный пробег в сторону меньшей плотности (т. е. концентрации) и дальше уходящая от исходной точки, задерживается на этой стороне более длительное время, чем на противоположной, и потому перемещается именно сюда. Следует учитывать, что молекулы при обычных давлениях в основном находятся в свободном полете и на собственно соударения затрачивают мало времени. Именно различие в длине свободного пробега каждой молекулы и является непосредственной причиной движения газа в целом в сторону пониженного давления .

Однако это различие объясняет только направленность движения молекул. Между тем известно, что расширение газов осуществляется с определенной силой, которую можно, например, зафиксировать, когда лопается воздушный шарик или стреляют из духового ружья. Объяснение этой силы следует искать в большей частоте соударений молекул в направлении их пониженной концентрации, чем в обратном. Для понимания этого необходимо представить себе, что в расширяющемся газе поставлена подвижная перегородка, о которую ударяются молекулы, тем самым перемещая ее. С той стороны, где концентрация молекул больше и, следовательно, больше и давление, молекулы чаще ударяются об эту перегородку, чем с обратной стороны, где молекул меньше. Поэтому большее количество ударов молекул с одной стороны заставляет перегородку перемещаться с силой, пропорциональной различию в количестве этих ударов. Необходимо подчеркнуть, что большее количество ударов создается за счет возможности для каждой молекулы после отскока от перегородки быстрее вернуться к ней вследствие большей частоты отталкивания ее другими молекулами, поскольку в этой стороне радиус вероятностного контура свободного пробега меньше .

Для наглядности этот механизм можно представить в виде решетчато-пружинной модели. Вообразим себе, что пружины, соединяющие молекулы, отталкивают их друг от друга, причем тем сильнее, чем больше они сближаются. В соответствии с этой моделью молекулы разбегаются в ту сторону, где их меньше, так как здесь «пружины» сжаты слабее. Сила отталкивания «пружин» определяется количеством соударения молекул: чем их больше, тем больше сжаты «пружины» и с тем большей скоростью и силой молекулы стремятся разбежаться .

Действие такого механизма обусловлено двумя факторами: 1) различием в длине свободного пробега молекул в стороны их большей и меньшей концентрации (давления); 2) различием в частоте отталкивания каждой молекулы от соседних молекул в сторону более и менее плотного газа, что создает эффект силы, с которой газ расширяется в сторону менее плотного .

Подобными же свойствами обладают молекулы у стенки сосуда, если они приближаются к ней на расстояние, меньшее длины их свободного пробега. В этом случае вероятностный контур свободного пробега так же приобретает асимметричную конфигурацию, как и в расширяющемся газе (рис. 21). Только если в последнем случае асимметрия создается за счет различия в расстояниях между молекулами газа, то у стенки сосуда она обусловлена присутствием самой этой стенки, от которой молекулы отскакивают .

Чем ближе молекула к стенке, тем короче пробег до нее и тем, соответственно, более резко асимметричен вероятностный контур в связи с увеличением различий в длине пробега к стенке и от стенки. Значит, чем ближе молекула к стенке, тем относительно меньше времени она будет возле нее задерживаться, так как тем быстрее она пройдет этот короткий путь до стенки и, отскочив от нее в обратном направлении, совершит относительно более длинный пробег до соударения с другими молекулами. Следовательно, здесь, как и в расширяющемся газе, должно существовать такое явление: каждая молекула, случайно оказавшаяся у стенки, должна усРис. 21. Асимметричность веро- коренно удаляться после соударения с ней в противоположную стороятностного контура свободного ну. Чем ближе она к стенке, тем скорее и удаляется от нее (в объеме пробега молекулы газа у стенки газа каждая молекула также ускоренно удаляется в сторону более разсосуда на расстоянии от нее, реженного газа, отталкиваясь от более плотного слоя молекул) .

меньшем длины этого пробега .

В Институте теоретической и прикладной механики СО РАН по Стрелкой показано направление моему заказу сделан точный математический расчет изменения стедвижения молекулы пени асимметричности вероятностного контура свободного пробега молекул по мере их приближения к стенке. В основу расчета была положена пропагаторная модификация метода молекулярной динамики. Рассматривалась модель газ аргона: 1000 атомов при давлении 50 атм., температуре 300 К и длине свободного пробега 1,58. Определялся параметр вероятностного контура свободного пробега – отношение объема части полусферы контура, обращенной к стенке, к объему второй полусферы, обращенной в противоположную сторону (от стенки). Это делалось для каждого атома в определенном элементе объема газа (параллелепипеде) шириной меньше длины свободного пробега; затем проводилось усреднение по частицам в каждом элементе объема. На диаграмме этот параметр асимптотически уменьшается по направлению к стенке, начиная с расстояния, равного длине свободного пробега. С использованием этого параметра расчетами показано уменьшение плотности газа в этом направлении .

У стенки сосуда каждая молекула чаще соударяется с ней и фактически создает на нее большее давление, чем в противоположную сторону. Однако поскольку сила действия равна силе противодействия и стенка, испытывая давление, не перемещается, значит, молекулы газа должны с такой же силой создавать давление в противоположную сторону, так же как более плотный газ давит на менее плотный, заставляя весь газ расширяться. Это не та сила, с которой весь газ давит на стенки, а дополнительная, связанная именно с близостью молекул к стенке сосуда, и она возникает только в этом пограничном слое газа .

Практически мгновенное появление твердой стенки или перегородки в газе осуществляется при увеличении объема того сосуда, в котором заключен газ (при сохранении в нем постоянного давления). В этом случае поверхностные слои газа, которые контактировали со стенкой, как бы растягиваются и в контакт с ней мгновенно подходят из глубины новые слои, которые до этого не контактировали с ней .

Объяснение на примере модели детской погремушки Для моделирования механизма действия поверхностных сил на примере детской погремушки последнюю необходимо несколько модернизировать, придав ей форму куба с прозрачными стенками, чтобы можно было видеть внутри шарики. Если сотрясать эту погремушку, то можно видеть, что все шарики в объеме погремушки в процессе движения концентрируются неравномерно. У стенок происходит их разуплотнение, а в центре наблюдается их повышенная концентрация. Нетрудно предста вить себе причину разуплотнения шариков у стенки. Когда погремушку не сотрясают, то все шарики ровным слоем лежат на дне с одинаковой плотностью у стенок в центре. Если тряхнуть погремушку в одну сторону, то большая часть шариков сгрудятся у одной стенки, а у другой их не будет. Если тряхнуть погремушку в обратную сторону, то все шарики переместятся туда и сгрудятся у противоположной стенки. Если совершать такие редкие встряхивания в течение какого-то времени, то в среднем за этот интервал никакого изменения в количестве шариков по сечению погремушки не будет, так как они будут равномерно перемещаться последовательно то туда, то сюда .

Но если увеличить частоту встряхивания так, чтобы шарики, отскочившие от одной стенки, летели навстречу шарикам, отскакивающим от другой стенки, то произойдет увеличение концентрации шариков в центральной части погремушки (рис. 22). По направлению к стенкам их количество постепенно уменьшается до минимального у стенок. Это происходит при встречном движении шариков. У самой стенки шарики быстро отскакивают от нее и, приобретая направленное движение, стремительно удаляются. Направляясь к центру, они сталкиваются с другими шариками, и поэтому их путь в процессе соударения резко удлиняется, становясь зигзагообразным. Вследствие удлинения пути каждый шарик дольше задерживается в центре погремушки и, таким образом, общее количество одновременно присутствующих здесь шариков возрастает. Чем больше соударений, тем путь более длинный и зигзагообразный, тем дольше задержка шариков в центре Рис. 22. Моделирование механизма воз- и, соответственно, тем больше их концентрация. А у стеникновения Т-СРПС на примере модели нок погремушки, наоборот, они быстро приобретают надетской погремушки, в период сотрясания правленное движение от них, и чем ближе к ним, тем быкоторой находящиеся внутри шарики констрее. Поэтому количество одновременно присутствующих центрируются в центральной части; за счет влияния силы тяжести шариков увеличива- шариков здесь будет меньше, т. е. будет наблюдаться разуплотнение шариков при частом сотрясании погремушки .

ется и их концентрация внизу Можно модернизировать эту модель детской погремушки, чтобы видеть размещение шариков в ее пространстве на фотографиях. Для этого надо использовать более длинную стеклянную трубку, например, мензурку. Вместо шариков целесообразно использовать кусочки неправильной формы, нарезанные из резины с тем, чтобы они после завершения сотрясания трубки не скатывались, а оставались на том же месте трубки, над которым они находились во время сотрясания .

–  –  –

в Рис. 24. Три варианта распределения шариков по длине трубки: а – шарики неподвижно сгруппированы у закрытого конца трубки; б и в – распределение шариков после сотрясения строго горизонтально ориентированной трубки поперек ее оси в вертикальном (или горизонтальном) направлении На рис. 23 видно, что после частого сотрясания трубки вдоль ее оси при обоих закрытых концах шарики (кусочки резины) распределяются симметрично вдоль ее оси, их количество уменьшается от центра к краям трубки. Этот вариант фиксирует вышеописанное поведение шариков во время сотрясания детской погремушки .

На рис. 24 приведены три варианта поведения шариков. Первый (а) – шарики неподвижно сгруппированы у одного ее закрытого конца, т. е. дна трубки, в данном случае являющегося для них стенкой. Второй (б) и третий (в) варианты – распределение этих шариков после сотрясения строго горизонтально ориентированной трубки поперек ее оси в вертикальном (или горизонтальном) направлении. Видно, что шарики постепенно при сотрясании перемещаются к открытому концу трубки и разуплотняются, так что их количество в любой точке пространства со временем все уменьшается и постепенно они будут вылетать из открытого конца трубки, пока не вылетят почти все .

То же происходит с молекулами плотного газа, если их поместить в контейнере у закрытого конца трубки. Если открыть контейнер, то весь газ из трубки будет с силой удаляться через открытый ее конец, все более и более разряжаясь до полного выравнивания плотности с окружающим пространством .

Следует обратить внимание на то, что, кроме уменьшения количества шариков в направлении к открытому концу трубки, заметно, хотя и на более коротком интервале, уменьшение их количества около закрытого конца, т. е. дна трубки, являющегося для них стенкой. Значит, разуплотнение шариков происходит и в этом направлении во время их хаотического движения при сотрясании трубки .

Следовательно, и здесь со стороны стенки на шарики действует какая-то сила, которая отталкивает их от стенки. Причем она противодействует силовому расширению шариков при их продвижении вдоль оси и является больше его .

Это можно четко проследить, если трубку ориентировать под небольшим углом к горизонту, продолжая сотрясать ее в поперечном направлении (рис. 25). Все шарики не будут вылетать из открытого конца трубки, но будут устойчиво сохранять свое разуплотненное состояние в направлении к ее открытому концу и у стенки, сколько бы долго мы не сотрясали трубку. Здесь очевидно, что на шарики со стороны открытого более высоко приподнятого конца действует гравитационная сила, так как за счет наклона трубки те из них, которые свободно падают вниз, проходят более длинное расстояние в направлении к закрытому концу трубки, чем те, которые совершают хаотические отскоки друг от друга. Это заставляет их быстрее продвигаться к закрытому концу и этим противодействовать силе расширения массы шариков в процессе их хаотического соударения друг с другом. При определенном наклоне трубки обе силы, действуя в противоположном направлении, выравниваются и шарики, соударяясь, не продвигаются к открытому концу трубки и не вылетают из него .

Рис. 25. Распределение шариков в наклонно ориентированной трубке после ее сотрясания в поперечном направлении Однако необходимо отметить, что разуплотнение шариков около стенки (закрытого конца трубки) при этом сохраняется, сколько бы мы не поднимали открытый конец трубки вверх. При этом только уменьшается толщина разуплотненного слоя шариков, и поэтому на фотографиях теряется четкость его изображения. Следовательно, сила разуплотнения, действующая у стенки, превосходит гравитационную силу и силу расширения шариков вместе взятых при хаотическом движении шариков .

Что же это за сила, нетрудно себе представить. Шарики у стенки при сотрясании трубки, хаотически блуждая, соударяются со стенкой и отскакивают от нее. Чем ближе шарик к стенке, тем у него больше вероятность удариться о нее и отскочить. Значит, чем ближе каждый шарик к стенке, тем чаще он от нее отскакивает и тем меньше количество шариков остается у стенки при их хаотическом блуждании. Здесь будет образовываться разуплотненный слой с меньшим количеством шариков. Стенка создает эффект силы, которая отталкивает от нее шарики, заставляя их разуплотняться. Величина этой силы превосходит силу расширения массы шариков при их хаотическом движении и пропорционально возрастает при увеличении этой массы и увеличении скорости движения шариков, так как отталкивающая роль стенки увеличивается пропорционально этим факторам. Сколько бы шариков ни было и с какой бы скоростью они ни ударялись о стенку, она всегда будет их отталкивать и разуплотнять их массу, создавая силу, противодействующую силе их давления .

Вот на этом простейшем примере шариков – аналогов молекул газа можно легко представить себе существование в природе фундаментальной силы, в данном случае – температурной составляющей силы разуплотнения поверхностного слоя газообразных веществ – Т-СРПС .

Объяснение на примере образования «выдува» в снежном сугробе у стенки во время метели Еще одной моделью поведения молекул у стенки сосуда может служить поведение снежинок во время метели около какого-либо препятствия в виде дерева, забора или стенки.. В сугробе у самой стенки образуется снежный «выдув», где высота сугроба уменьшается, причем тем больше, чем ближе к стенке, т. е. выдув имеет асимметричное строение (рис. 26). Нетрудно представить себе причину его образования. Этот выдув создается в Рис. 26. Моделирование механизма возникновения СРПС на примере формирования «выдува» в снеж- результате перехода ламинарного потока воздуха в ном сугробе у стенки во время метели; стрелками турбулентный вихревой. Последний, в целом показано направление струй воздуха, влияющих на взвихривая снежинки, не позволяет им осаждаться формирование сугроба или опять поднимает в воздух те, которые уже осели. Но у самой стенки эти вихри выражены более резко и имеют большую скорость, так как именно у стенки они зарождаются, а чем дальше от нее, тем больше слабеют. Сущность каждого вихря состоит в том, что поток подходит к стенке, отталкивается от нее и возвращается назад, закручиваясь .

У самой стенки это возвращение выражено более отчетливо, чем на удалении от нее, так как здесь ему меньше мешают встречные ламинарные потоки воздуха, которые закручивают вихрь спиралью .

Каждый объем воздуха непосредственно вблизи стенки быстро отталкивается от нее и уходит назад, задерживаясь здесь меньше времени. Поэтому у снежинок из каждого такого объема воздуха здесь меньше вероятность выпасть в сугроб и у самой стенки толщина снежного покрова минимальная или он отсутствует совсем .

Объяснение на примере хаотического блуждания в зале людей, отталкивающихся друг от друга и от стенок С этой целью необходимо расставить в зале людей на примерно равном расстоянии друг от друга. Затем один человек с завязанными глазами будет ходить среди них, отталкиваясь от них и от стен зала. То время, которое он будет проводить у стен зала и среди массы людей, будет различаться. Это можно проверить, разделив зал (мелом на полу) на одинаковые секторы, параллельные стенкам, и отмечая секундомером время пребывания человека с завязанными глазами в пределах того или иного сектора. В объеме зала человек будет хаотически зигзагообразно бродить, отталкиваясь от людей, и примерно равное время присутствовать во всех секторах. В секторе, прилегающем непосредственно к стене зала, на расстоянии, меньшем среднего расстояния между людьми, человек будет подходить к стене и, отталкиваясь от нее, сразу же удаляться от нее, так как стена придает отталкиванию обязательное направление прочь от нее. В глубине же зала отталкивание от отдельных людей не придает направления удаления из какого-либо сектора. Поэтому в секторе у стен человек будет проводить меньше всего времени, причем тем меньше, чем ближе у стены он будет находиться. Последнее можно проверить, разделив пристеночный сектор на еще более узкие сектора и замеряя время пребывания в них человека. Если опыт изменить так, чтобы все люди в зале ходили одновременно с завязанными глазами, отталкиваясь друг от друга и от стен, то в целом все они в секторе у стенок будут, вследствие отмеченных выше причин, проводить меньше времени, и значит, будет заметно их разуплотнение в секторе шириной, меньшей средней длины свободного прохода человека до столкновения с другими или со стеной. По существу, этот вариант моделирования является почти полным аналогом движения молекул газов у стенок в объеме закрытого сосуда .

Объяснение поверхностных явлений на примере игры «вкруговую»

или «в две стенки»

Практически смоделировать механизм поверхностных явлений можно на примере игры, в которую мы играли в детстве вместе с ребятишками и называли «вкруговую». Мы становились в круг, и один водящий оставался внутри (рис. 27а). Задача была – попасть в водящего мячом, который кидал любой игрок из круга. Мяч можно было перебрасывать от одного игрока к другому, а водящий должен был или увернуться от мяча или поймать его. Водящий старался как можно дальше отскакивать от того игрока, к которому в данный момент перекинули мяч. Поэтому он в течение игры больше Рис. 27. Схематическая модель разуплотнения молекул у стенки сосуда (на примере игры с мячом) а – наиболее выгодное положение водящего (черный кружок) относительно игроков (белые кружки) при игре «вкруговую»; стрелкой показано направление ускоренного смещения от игроков водящего, случайно оказывающихся вблизи них; б – то же, вариант «две цепочки одинаковой плотности»; в – вариант «две цепочки разной плотности»; г – направление смещения (стрелка) каждой молекулы газа или воды, случайно оказывающейся вблизи стенки сосуда, что приводит к созданию разуплотненного поверхностного слоя (разреженные точки) и к снижению концентрации в нем растворенных веществ всего времени находился в центре круга, так как это было самое оптимальное расстояние, с которого можно было быстрее всего отскочить от игрока с мячом .

Если несколько видоизменить игру (отталкивать водящего от игроков в круге или он сам будет отталкиваться от них), результат будет тот же самый: водящий будет чаще всего находиться в центре .

Во всех этих случаях чем ближе водящий будет находиться к игрокам, тем меньше времени ему понадобится, чтобы дойти до них и оттолкнуться, и тем больше – чтобы вернуться к центру круга .

Другими словами, меньше всего времени водящий находится вблизи игроков, а меньшее время пребывания означает увеличение скорости движения от игроков к центру круга .

Следует обратить внимание, что речь идет не о скорости движения непосредственно самого водящего, т. е. бегом или шагом он перемещается, а о скорости его смещения в круге от периферии к центру за какой-то определенный интервал времени, который можно, например, засечь секундомером. В среднем он за этот интервал быстрее всего смещается от периферии к центру круга и поэтому наиболее частым местом его пребывания является центр круга, как наиболее устойчивая позиция .

Благодаря частым случайным отталкиванием водящего от игроков возникает в целом его направленное движение к центру круга. Это будет видно по тому, что трава в центре круга будет сильнее вытаптываться ногами играющих, так как здесь они бывают чаще всего .

Если еще видоизменить игру, выстроив игроков в две параллельные цепочки (стенки), то наиболее выгодным положением водящего будет линия посредине между этими цепочками (см. рис. 27б) .

Если одна из цепочек более редкая (например, часть игроков в шахматном порядке отошла назад), то устойчивое расположение водящего также несколько смещается в эту же сторону, потому что туда смещается среднее расстояние между цепочками (см. рис. 27в) .

Таким образом, в процессе игры водящий стремится занять наиболее устойчивое положение, определяющееся соотношением расстояний от него до игроков. Он занимает позицию на среднем расстоянии между игроками, учитывая также возможность их некоторого рассредоточения с одной из сторон. Появление же водящего в другом месте, например, вблизи более плотной цепочки, создает эффект силового давления на него, заставляющего его перемещаться на безопасное расстояние – в место устойчивого положения .

Эти простые рассуждения приведут нас к важнейшим выводам, если мы применим их к движению молекул газа в его поверхностном слое, например, у стенки сосуда, где каждая молекула ведет себя подобно водящему в вышеотмеченной игре (см. рис. 27г) .

Таким образом, в газах, в их контакте с конденсированными, т. е. твердыми и жидкими веществами, также существует разуплотненный поверхностный слой и, следовательно, должна проявляться Т-СРПС при возникновении новых участков этого слоя .

2.1.3.3. Экспериментальное подтверждение Т-СРПС газов Французские ученые А. Клаус, Г. Эйсхен и Х. Форестье (1965) провели эксперименты по разрыву проволок из золота, серебра, платины, мели, вольфрама, железа и стеклянных нитей в химически инертных средах: вакууме, гелии, водороде, неоне, аргоне, азоте, воздухе, углекислом газе и воде .

Оказалось, что все исследованные твердые вещества имеют наивысшие механические характеристики в вакууме. В других средах, в том числе и газах, прочность проволок понижается, и тем сильнее, чем меньше диаметр проволоки. Эти результаты сопоставляются с аналогичным воздействием поверхностно-активных жидкостей, хотя действие газов значительно слабее .

Экспериментаторы объясняют это влиянием физической адсорбции газов, способствующей разрушению твердых тел .

По моему мнению, это можно объяснить действием Т-СРПС газов. В процессе механического растяжения проволоки в появляющиеся микротрещины устремляется газ из окружающей среды. В острие этих трещин он соприкасается со стенками, разуплотняется за счет действия Т-СРПС и, расширяясь, создает давление на них, еще более удлиняя трещины и снижая механическую прочность проволоки. В вакууме такого явления не происходит, и поэтому прочность материалов выше. Эти эксперименты, таким образом, являются подтверждением действия Т-СРПС газов .

2.1.3.4. Представление о температурной составляющей силы разуплотнения поверхностного слоя газа – Т-СРПС Вышеприведенные модели формирования поверхностного слоя газов свидетельствуют о том, что в самый начальный момент его возникновения молекулы, бывшие до этого в глубине газа, оказавшись на поверхности, начинают мгновенно отталкиваться от стенки сосуда и создавать за счет этого разуплотнение слоя, уменьшая в нем содержание молекул. Значит здесь в этот момент происходит расширение глубинной массы молекул, создающее давление как на стенки сосуда, так и на глубинную массу молекул. Поскольку стенка сосуда не может отодвинуться под действием этого расширения, то отодвигается глубинная масса молекул, уступая место этому разуплотненному слою .

Следовательно, здесь возникает особый род силы, которая создается за счет вышеотмеченных особенностей молекулярно – кинетического движения молекул. Эта сила создается за счет суммарной силы ударов всех молекул поверхностного слоя о стенку сосуда и отскока от нее и поэтому она может совершить механическую работу также, как любой расширяющий газ. Величина этой силы сопоставима с силой температурного расширения газов, так как при увеличении их температуры они также расширяются за счет увеличения суммарной силы ударов всех молекул между собой и о стенку сосуда. Эта сила названа мной температурной составляющей силы разуплотнения поверхностного слоя, сокращенно Т-СРПС. После возникновения разуплотненного слоя действие Т-СРПС переходит в стационарный режим по поддержанию поверхностного слоя постоянно в разуплотненном состоянии. Следовательно, в действии Т-СРПС проявляется два этапа. На первом этапе, когда поверхностный слой только начинает образовываться, она проявляется как активная механическая сила, способная, например, совершить перемещение тел, т. е. совершить механическую работу. На втором этапе эта сила поддерживает поверхностный слой постоянно разуплотненным. Первый этап проявляется, например, когда газы впервые попадают в микротрещины твердых веществ и в процессе их механических деформаций они ослабляют их прочность .

Более детально сама Т-СРПС и связанное с ее действием изменение температуры поверхностного слоя будет рассмотрена далее на примере жидкостей и твердых веществ .

2.1.4. Теоретическое и экспериментальное обоснование Т-СРПС жидкостей 2.1.4.1. Сведения об объемных свойствах жидкостей, необходимые для понимания поверхностных явлений Отличие жидкостей от газов Молекулы газов в процессе теплового движения соударяются друг с другом и отскакивают в разные стороны, продолжая свой полет. Большие скорости и энергии не позволяют им соединяться .

Но по мере уменьшения температуры кинетическая энергия поступательного движения молекул газа уменьшается, и при некоторой температуре она уже не в состоянии преодолеть дальнодействующие ван-дер-ваальсовы силы межмолекулярных нековалентных взаимодействий. Поэтому молекулы собираются вместе, образуя компактную плотную массу – жидкость, но сохраняют возможность перемещаться относительно друг друга, что является основной характеристикой жидкости .

Ван-дер-ваальсовы силы стремятся сблизить молекулы жидкости друг с другом. В то же время соединению этих молекул препятствуют так называемые короткодействующие силы отталкивания их электронных атомных оболочек. Энергия взаимодействия первых уменьшается пропорционально шестой степени расстояния между молекулами, а вторых – в среднем двенадцатой степени этого расстояния (Лопаткин, 1983).

Это взаимодействие описывается энергетическим потенциалом ЛеннардаДжонса:

AB, r 6 r12 где – потенциальная энергия взаимодействия между молекулами; А – константа притяжения; В – константа отталкивания; r – расстояние между молекулами .

На диаграмме это выражается кривой, имеющей минимум внизу, так называемую потенциальную яму, соответствующую равновесному расположению молекул, когда притяжение и отталкивание взаимно выравниваются (рис. 28). Равновесное расстояние между молекулами определяет так называемые ван-дер-ваальсовы размеры молекул, оно равно двум радиусам взаимодействующих молекул, т. е. две молекулы, сближаясь на расстояние ван-дер-ваальсовых размеров, попадают, образно говоря, в капкан: сблизиться дальше им не позволяет увеличивающаяся сила отталкивания от электронных оболочек атомов, а удалению препятствуют ван-дер-ваальсовы силы притяжения. И только собственная кинетическая энергия движения молекул разрывает этот капкан, и они разлетаются, преодолевая силу притяжения. Но если кинетическая энергия движения молекул газа мала, например, при температурах меньше критических, или внешнее давление заставляет молекулы сближаться за счет сжатия в сосуде, то тепловое движение молекул происходит большей частью в поле действия этих межмолекулярных сил как бы в среднем около равновесного расстояния между ними. В результате этого газы превращаются в жидкости или твердые тела, так как молекулы за счет внешних сил оказались запертыми в «капкане» энергетических сил межмолекулярного взаимодействия .

Тепловое движение молекул В настоящее время в науке преобладают следующие представления о тепловом движении молекул в жидкости. Молекулы могут совершать малые колебания в пределах, ограниченных межмолекулярными расстояниями. Однако время от времени колеблющиеся молекулы в результате флюктуаций могут получить от соседних молекул избыточную энергию, достаточную для того, чтобы совершить скачок на некоторое расстояние. В новом месте частица проведет некоторое время, совершая колебания, пока снова не получит в результате флюктуаций нужную для скачка энергию и не совершит скачок (Кикоин и др., 1976) .

В этом вопросе в науке имеется некоторая неясность: каково расстояние скачка каждой молекулы, делает ли она сама этот скачок за счет своей энергии или же просто переходит в дырку, образующуюся поблизости при раздвигании соседних молекул. Дело в том, что Я. И .

Френкель, являющийся крупнейшим специалистом в молекулярнокинетической теории строения жидкостей и твердых веществ, впервые в 1925 г. предложил дырочную теорию строения жидкостей и дырочную теорию диффузии в них. В разделе своей монографии, где описана дырочная теория жидкого состояния вещества, он отмечал, что возникновение дырок «осуществляется как результат флюктуаций, связанных с тепловым движением. … Понятие дырок как более или менее расширенных промежутков между молекулами – промежутков, не имеющих ни определенных размеров, ни формы и могущих спонтанно возникать, расширяться, сжиматься и вновь исчезать, а также перемещатьРис. 28. Диаграммы изменения ся путем закрытия в одном месте и возникновения в соседнем (подобно потенциальной энергии () и тому, как это имеет место в случае подвижных дырок в кристаллах)»

силы (F) межмолекулярного (Френкель, 1975, с. 206–207) .

взаимодействия в зависимости В этом разделе он не упоминает о перескоках молекул, и ясно, от расстояния (r) между молечто, по его мнению, все дырки образованы за счет флюктуационного кулами (r0 = r1 + r2 – равнораздвигания соседних молекул, а не активного внедрения в них быствесное расстояние между моро перескакивающих молекул .

лекулами, равное сумме ванВ другом разделе, посвященном тепловому движению в простых дер-ваальсовых радиусов можидкостях, он пишет, что «переход атома жидкости из одного врелекул, где энергия взаимодействия минимальна, а сила менного положения равновесия в соседнее можно рассматривать как взаимодействия равна 0) последовательность двух актов: «испарение» из исходного положения в промежуточное, связанное с увеличением потенциальной или, точнее говоря, свободной энергии всего комплекса, состоящего из самого атома и атомов, окружающих его, на некоторую величину U = W (энергия активации) и «конденсацию» из промежуточного положения в новое положение равновесия с практически мгновенным сбрасыванием избыточной кинетической энергии, в которую при этом переходит энергия активации (исключающая возможность возвращения в исходное состояние)» (там же, с. 223) .

Значит, он отмечает, что перескок молекулы из одного положения равновесия в другое связан с увеличением энергии, необходимой для ее перемещения, – энергии активации. Причем с этим он ниже связывает также наличие вязкости у жидкости .

В третьем разделе, посвященном дырочной теории диффузии, он отмечает: «во-первых, можно себе представить, что при перемещении маленьких молекул растворенного вещества окружающие молекулы растворителя увлекаются примерно таким же образом, как и при перемещении макромолекул, в соответствии с картиной, вытекающей из уравнения макроскопической гидродинамики. … Такую картину коллективного перемещения группы частиц можно развить в несколько другом направлении, так чтобы рассматриваемая «центральная» частица (своя или чужая) была бы не «ведущей», а «ведомой», подобно тому, как это имеет место в дырочном механизме диффузии в кристаллах. Представим себе, что перемещение рассматриваемой частицы из исходного положения равновесия в соседнее имеет не активный, а пассивный характер, т. е. обусловливается не случайным увеличением кинетической энергии рассматриваемой частицы при неизменном расположении окружающих, а случайным раздвиганием последних, т. е. образованием в непосредственной близости к данной частице микрополости (дырки), в которую она может перейти практически без всякой энергии активации, после чего дырка, оставленная ею на прежнем месте, захлопывается. С этой точки зрения энергию активации W для диффузии данной частицы следует трактовать как энергию, необходимую для возникновения в содержащей ее жидкости микрополости некоторых минимальных размеров, куда частица могла бы влезть» (там же, с. 238–239) .

Таким образом, из этих высказываний Френкеля следует, что в равной мере он считал возможным, что молекулы могут перескакивать с одного места на другое как активно за счет своей избыточной кинетической энергии, так и пассивно, за счет образования дырок в непосредственной близости от них. Причем он отмечал, что «размеры дырок почти не отличаются от нормальных расстояний между молекулами (точнее, прилегающими друг к другу участками их поверхностей)» (с. 211), «размеры большинства дырок должны быть близкими к минимальным» (с. 212). Значит, он считал расстояние, на которое молекулы делают перескок, очень незначительным, близким к таковому в твердых телах .

В целом, по мнению Френкеля, «кинетическая теория жидкостей должна представлять собой обобщение и развитие кинетической теории твердых тел. Фактически было бы правильнее объединить их под одним названием конденсированных тел» (с. 5). Именно такой подход к теории жидкого состояния «как развитию кинетической теории твердых тел» и изложен Френкелем в его работе .

Однако я считаю необходимым обратить внимание на то, что жидкости отличаются от твердых тел такими существенными свойствами, как сильно выраженная способность к испарению и большой скоростью диффузии растворенных в них веществ. Р. Клаузиус (1937) при объяснении механизма испарения жидкостей вполне справедливо полагал, что скорости перескоков молекул из одного положения равновесия в другое «в очень широких пределах отклоняются в обе стороны от средних их значений» (с. 50). Поэтому, с его точки зрения, наиболее энергичные молекулы преодолевают силу притяжения молекул и выскакивают над ее поверхностью. В развитие этих представлений следует обратить внимание на широкий диапазон скоростей движения молекул в газах, отраженный на диаграмме распределения скоростей Максвелла – Больцмана (рис. 29) .

Здесь видно, что в правой нисходящей части диаграммы скорости молекул возрастают, приближаясь асимптотически к абсциссе, т. е. величина скорости, хотя и не бесконечная, может быть очень большой для некоторых молекул. Попытаемся представить, как поведут себя эти наиболее быстрые молекулы в массе газа. Это подобно тому, как если бы сквозь плотное облако пыли выстреРис. 29. Диаграмма Максвелла – Больцмана лить из пистолета пулей размером с такую же пылинку, из распределения скоростей движения молекул в газах которых состоит это облако. Эта пылинка-пуля на пути своего движения растолкает все встречные пылинки и сделает в облаке дырку, так как пылинки вследствие своей малой скорости не успеют так же быстро сомкнуться позади пылинки-пули. Так, быстро плывущий катер оставляет позади себя след в виде пенистого буруна. Летящая пылинка-пуля постепенно теряет свою энергию в процессе соударения со встречными пылинками и останавливается, переходя в разряд рядовых медленных пылинок. Значит, то же самое будет происходить и с быстро летящей молекулой в газе .

Можно попытаться представить себе, что будет, если эту же молекулу будут отталкивать назад все те молекулы, которые она оттолкнула в ходе своего «прострела». Иначе говоря, она начнет свой обратный полет, и каждая из тех молекул, которые она отталкивала, с такой же силой и в точности в том же направлении будет отталкивать ее в обратном направлении. Совершенно очевидно, что она будет последовательно разгоняться по закону зеркального отражения в обратном направлении и в конце концов достигнет своей первоначальной большой скорости. Затем опять в массе газа она будет также в обратном порядке замедлять свое движение. Выстрел из пистолета – это редчайшее явление, а те случайные флюктуации в газе, которые способны разогнать ту или иную молекулу до достаточно большой скорости, должны быть обычным случаем. Поэтому в целом в газе молекулы должны периодически совершать скачкообразные движения .

Следует также обратить внимание на броуновское движение молекул, теория которого описана, в частности, Эйнштейном и Смолуховским (1936). Броуновские частицы, как можно видеть в микроскоп, совершают зигзагообразные движения. Причем скорости этих движений возрастают с уменьшением размеров частиц вплоть до молекулярных пропорционально корню квадратному из диаметра .

Причиной движения частиц является то, что на каждую из них с одной стороны благодаря флюктуациям приходится большее количество ударов, чем с другой стороны, т. е. получаются периодически толчки, направленные то в одну сторону, то в другую. Так и при уменьшении размеров частиц можно сказать, что они периодически получают в процессе соударения более сильные толчки с одной стороны и совершают перескоки. Причем сила этих толчков может случайным образом существенно варьировать от слабой до сильной .

На основании этого можно сформулировать новое правило в дополнение к закону распределения скоростей Максвелла – Больцмана:

Наиболее быстро двигающиеся молекулы газа, отвечающие правой нисходящей части диаграммы распределения скоростей Максвелла – Больцмана, в процессе движения расталкивают на своем пути основную массу более медленно двигающихся молекул, создавая как бы скачок, или «прострел», в этой массе и оставляя позади себя дырку, которая затем закрывается .

В связи с этим опять следует обратить внимание на представления Я.И. Френкеля о том, что длина скачков, которые совершают молекулы в жидкости, не превышает среднего расстояния между молекулами. А почему оно должно быть таким малым? В жидкости диапазон флюктуаций так же велик, как и в газах, хотя и расстояния между молекулами небольшие. Для молекулы также велика вероятность достигнуть здесь больших скоростей разгона. Значит, и вероятность скачка на большее расстояние, чем среднее расстояние между молекулами, может происходить достаточно часто. По моему мнению, в данном случае более прав был Клаузиус (1937), говоря о широком диапазоне скоростей и расстояний перескоков молекул в жидкостях .

Я думаю, что наиболее характерной особенностью теплового хаотического движения молекул в жидкостях является то, что молекулы в них могут периодически совершать активированные скачки на различные расстояния, расталкивая на своем пути встречающиеся молекулы и образуя позади себя дырки типа «пенистых бурунов». Я считаю, что все дырки, или так называемый «свободный объем», которые описаны в различных дырочных, решеточных, ячеечных и других теориях жидкого состояния специалистами по термодинамике, являются именно такими. По существу, в этом случае в поведении жидкостей есть определенные черты сходства с газами, так как скачки молекул подобны свободному пробегу молекул газа. Как известно, именно этими скачкообразными движениями молекул определяется ряд важнейших кинетических свойств жидкостей, таких как диффузия, самодиффузия, испарение, вязкость. О необходимости перехода к взглядам о непрерывности газового и жидкого состояний говорил И.З. Фишер (1961) .

По сути, против этих представлений нет каких-либо существенных аргументов, так как даже Френкель не отвергал этот вариант, а в термодинамических работах других крупнейших исследователей данный вопрос вообще не исследуется .

2.1.4.2. Поведение молекул жидкости на границе с газом, создающее действие Т-СРПС Как отмечалось выше, в настоящее время общепризнано, что в контакте с газовой средой молекулы жидкости образуют постепенный переходный разуплотненный слой. Выше было показано, что первопричиной формирования разуплотнения в поверхностном слое является тепловое движение молекул, важнейшей особенностью которого является то, что молекулы жидкости совершают активированные скачки на расстояния, превышающие среднее расстояние между молекулами, с силой расталкивая встречающиеся на их пути молекулы и образуя позади себя свободное пространство в виде дырок или «пенистых бурунов». Эти представления положены мной в основу механизма создания ТСРПС жидкостей на границе с газообразной средой. Суть этого механизма заключается в следующем .

Наиболее энергичные молекулы, совершая скачки в поверхностном слое, выскакивают за пределы поверхности жидкости, удаляясь в воздух (испарение), или же возвращаются, не в силах преодолеть ван-дер-ваальсовое притяжение всей поверхностной массы жидкости. Именно эти молекулы своими скачками за пределы поверхности жидкости создают верхнюю часть разуплотненного поверхностного слоя; нижняя его часть создается в результате того, что после ухода скачущих молекул позади них остаются дырки, создающие разуплотнение в самой массе жидкости .

Однако никто не сделал попытки проделать дальнейший анализ результатов этой деятельности молекул и определить, как эта деятельность проявляется в природе. Логический анализ приводит к следующим выводам .

Если вообразить себе мгновенное появление на границе поверхностного слоя воды с воздухом (точнее, с паром) параллельной ему твердой плоскости, то на самой внешней границе слоя об нее будут ударяться в основном молекулы, испаряющиеся с поверхности, и наиболее высокоэнергичные молекулы, но находящиеся на излете своего скачка. Их количество будет невелико и энергия движения незначительна, поэтому и давление на плоскость они создадут небольшое. Чем ближе плоскость будет располагаться к границе воды, тем большее количество молекул и со все большими скоростями будет ударяться о нее в направлении от поверхности воды и этим будут создавать все большее давление. Особенно велико будет это усилие в нижней половине разуплотненного слоя в зоне «расширенной жидкости», так как здесь скачок, по существу, только начинается и молекулы и обладают наибольшей энергией, достаточной, чтобы раздвинуть саму массу плотной жидкости и образовать в ней дырки. Иными словами, здесь суммарная сила ударов равна той силе, которая приводит к расширению самой жидкости в ее глубине при повышении температуры .

Из физики известно, что сила действия равна силе противодействия. Поэтому плоскость будет создавать давление на массу молекул жидкости, отодвигая ее от себя, и этим поддерживать разуплотненное состояние жидкости. Если в верхней части поверхностного слоя это противодействие будет небольшое, то в нижней части оно будет равно силе температурного расширения. Значит, с такой максимальной силой плоскость должна будет давить на поверхность жидкости, чтобы ликвидировать разуплотнение. Если жидкость сможет противодействовать этому огромному давлению, например, находясь в плотно закрытом сосуде под прессом, то размеры разуплотненного слоя можно свести к нулю, когда сила давления равна силе температурного расширения. Если же жидкость находится в открытом сосуде, то она будет сопротивляться этому только с небольшой силой веса гидростатического столба жидкости. Например, в стакане воды или вообще в нижней части сосудов, общий гидростатический вес которых не превышает силы температурного расширения, это разуплотнение будет всегда существовать в контакте со стенками сосуда .

Отсюда следует, что поверхностный слой в процессе своего формирования создает большую силу, равную силе температурного расширения. Это и есть температурная составляющая силы разуплотнения поверхностного слоя – Т-СРПС, создающая и поддерживающая разуплотненное состояние поверхностного слоя в контакте как с газообразной средой, так и с твердыми веществами .

Подобную модель формирования поверхностного слоя можно построить, используя понятие о вероятностном контуре свободного пробега. В поверхностном слое жидкости вероятностный контур свободного пробега, которым здесь является контур флюктуационного скачка, обращен не внутрь жидкости, а наружу (рис. 30). Это связано с тем, что молекулы, расположенные на поверхности воды, способны делать скачок не вглубь воды, а только наружу, в сторону воздуха. Как показано выше, причина скачков в том, что молекулы разгоняются за счет ударов о них соседних (расположенных сзади) молекул до такой скорости, когда они способны совершить скачок, т. е. «прострел» сквозь массу молекул жидкости, расталкивая их. Молекулам, расположенным на поверхности (со стороны газа), ничто не может придать такого ускорения и направить их внутрь жидкости вследствие отсутствия с этой стороны ее молекул. А со стороны жидкости такое ускорение создается легко, и молекулы делают скачки в сторону газа, вылетая за пределы поверхности на расстояние, которое позволяют сделать дальнодействующие ван-дер-ваальсовы силы притяжения молекул. Если величина скачка больше интервала действия этих сил, то молекулы вылетают в газ, осуществляя испарение жидкости, а если меньше – то своим временным появлением за ее пределами они принимают участие в разуплотнении жидкости. Чем глубже в жидкости располагается молекула, тем больше со стороны поверхности слой молекул, способных разогнать ее до скорости, достаточной для активированного скачка в направлении также и внутрь жидкости. В этом случае вероятностный контур приобретает конфигурацию асимметричного эллипсоида вращения с центром, смещенным внутрь жидкости (см. рис. 30). Значит, хотя для молекулы появляется возможность сделать скачок вглубь жидкости, вероятность этого меньше и (или) также меньше его длина. Следовательно, каждая молекула будет меньше задерживаться при скачке вглубь поверхностного слоя и дольше – при скачке наружу, создавая таким образом ускоренное движение в этом направлении и, следовательно, разуплотнение поверхностного слоя .

Рис. 30. Вероятностные контуры флюктуационных скачков молекул жидкости на границе воды (штрихи) с воздухом (точки); d – интервал формирования поверхностного слоя воды Некоторое подобие этой модели поверхностного слоя можно наблюдать на примере сильного проливного дождя. Капли дождя, отскакивая от плоской поверхности асфальта или крыши дома, покрытой тонким слоем воды, образуют слой брызг, плотность которых постепенно уменьшается по направлению от поверхности. Такой слой на крыше хорошо виден на темном фоне деревьев, растущих возле дома. Это весьма близкий аналог того, как формируется поверхностное разуплотнение жидкости на микроуровне. Здесь падающие капли дождя с силой отскакивают от крыши, разбиваются на многочисленные брызги и, захватывая часть воды из поверхностного слоя, стекающей с крыши, создают слой брызг, плотность которого варьирует от плотности самой воды на поверхности крыши до редких брызг на расстоянии 10–20 см от нее. Если бы брызги еще обладали свойством притягиваться друг к другу, то это была бы полная модель формирования поверхностного слоя .

В отношении тепловых явлений и величины силы, с которой Т-СРПС создает разуплотнение поверхностного слоя, можно сказать следующее. В жидкостях формирование новых участков поверхностного слоя начинается с действия внешних гравитационных сил, которые растягивают его и, преодолевая предел его прочности, разрывают. Потом в эти разрывы устремляются скачущие с поверхности молекулы, которые, преодолевая притяжение ван-дер-ваальсовых сил, создают над поверхностью сбалансированный разуплотненный слой с пониженной температурой. Здесь в общем наблюдается определенная аналогия с эффектом Джоуля-Томсона. Открывается дроссель, и сжатая плотная масса молекул устремляется в сторону разреженного газа и разуплотняется. Причем этот «дроссель»

работает в режиме, соответствующем температурам ниже температуры инверсии. Температура новообразующегося поверхностного слоя понижается, так как все его молекулы гораздо более тяжелые, чем, например, молекулы водорода, и поэтому обычные невысокие температуры для них более низкие, чем температуры инверсии при дроссельном эффекте .

Я специально обращаю внимание на это, так как далее будет показано что при горении, когда процессы происходят выше температуры инверсии, поверхностный слой, наоборот, нагревается в момент возникновения .

Также образование разуплотненного поверхностного слоя подобно расширению газа под действием поршня, который, перемещаясь, уменьшает плотность газа, и газ охлаждается. Следует обратить внимание на то, что газ при этом обнаруживает также механическое действие силы и совершает механическую работу, так как поршень может поднять определенный груз. Чем больше плотность газа, тем больший груз он может поднять. В дроссельном эффекте такая работа производится компрессорами, перекачивающими газ для поддержания определенной разности давлений .

Следовательно, в поверхностном слое также должно проявляться действие механической составляющей силы, которая сопровождает разуплотнение молекул. Способ ее проявления уже описан на примере внезапно появляющейся в расширяющемся слое твердой плоскости – аналога поршня в сжатом газе. Все скачущие на поверхности молекулы жидкости будут ударяться об эту плоскостьпоршень и создавать на нее давление с суммарной силой всех своих ударов, как газ создает давление на поршень и стенки сосудов. Чем ближе эта плоскость к поверхности, тем больше суммарная сила ударов и тем большее давление создают на нее молекулы, заставляя отодвигаться. Эта плоскость находится в поле действия ван-дер-ваальсовых сил притяжения и также должна притягиваться ими к поверхности. Но сила ударов молекул настолько велика, что они легко преодолевает это притяжение и отталкивают плоскость, разуплотняя поверхностный слой. Это подтверждается примером расширяющегося газа, где внутренняя его энергия не только преодолевает ван-дер-ваальсовы силы взаимного притяжения молекул, за счет чего газ охлаждается, но и совершает механическую работу по поднятию груза .

Очевидно, что точно такую же силу необходимо приложить для механического сжатия этой плоскостью поверхностного слоя также, как это наблюдается при сжатии поршнем разряженных газов .

Остается только понять какое внешнее механическое усилие создается при разуплотнении поверхностного слоя, или, сравнивая с моделью движущегося поршня, какой груз может поднять этот расширяющийся слой. Необходимо сравнить это явление с тепловым расширением жидких и твердых веществ при увеличении их температуры. При нагревании увеличивается кинетическая энергия молекул, слагающих вещества, и молекулы с большей скоростью и чаще соударяются друг с другом .

Значит, возрастает сила их взаимного отталкивания и поэтому вещество разуплотняется, т. е. расширяется. При этом возросшая кинетическая энергия легко преодолевает притяжение ван-дерваальсовых сил и способствует увеличению расстояния между молекулами. Наряду с этим вещество проявляет огромную силу механического расширения, так, например, проявляясь в твердых веществах, может согнуть стальные рельсы или фермы мостов, если в стыках между ними не оставить свободного пространства для расширения. Большая величина этой силы обусловлена тем, что в расширении принимает участие все то огромное количество плотно упакованных молекул, из которых и состоят вещества, а например, в разреженных газах количество молекул невелико и сила их температурного расширения также незначительна .

В создании разуплотненного поверхностного слоя также участвуют все молекулы вещества, выталкивающие из своей массы молекулы и заставляющие их совершать высокоамплитудные тепловые колебания. Значит, и сила, с которой они способны отодвинуть любую плоскость от новообразующейся поверхности и совершить механическую работу, равна силе температурного расширения веществ. Но если при температурном расширении сила создается за счет большей скорости движения молекул, то при создании поверхностного слоя – в результате свободных ударов всех молекул в направлении прочь от поверхности, т. е. как бы движения плоскости – поршня в сторону от поверхности .

Таким образом, при разуплотнении молекул поверхностного слоя в период его возникновения происходят два явления:

1) возникновение молекулярно-кинетической силы разуплотнения, которая не только преодолевает ван-дер-ваальсову силу притяжения молекул друг к другу, но и способна механически отодвинуть любую плоскость с силой равной силе температурного расширения веществ. Такую величину эта сила имеет только в самом начале разуплотнения слоя. По мере его расширения она ослабевает и совсем исчезает на расстоянии, большем амплитуды тепловых колебаний молекул на поверхности .

Эта сила и есть температурная составляющая силы разуплотнения поверхностного слоя Т-СРПС .

2) в результате действия Т-СРПС молекулы оказываются в аномальных для них условиях большего разуплотнения, что сопровождается понижением температуры поверхностного слоя при температурах ниже температуры инверсии в эффекте Джоуля-Томсона .

Следовательно, все тепловые процессы в поверхностном слое происходят в соответствии с уже изложенным молекулярно-кинетическим правилом тепловых явлений в веществах. По существу, это правило подтверждает существование действия силы – Т-СРПС, так как все тепловые явления в веществах инициируются первичным действием определенных сил .

2.1.4.3. Поведение молекул жидкости на границе с твердыми веществами В вопросе об экспериментальных исследованиях плотности воды в контакте с твердыми веществами существует довольно парадоксальная ситуация. Можно привести ссылки на десяток зарубежных исследований (Nizsche, 1940; Macey, 1942; De Wit at al., 1950; Mooney et al., 1952; Bradley, 1959;

Anderson et al., 1958, 1963, 1967; Deeds et al., 1961; Martin, 1962; Hiller, 1964), которыми экспериментально установлена более низкая плотность воды в контакте с минералами глин по сравнению с объемной водой, т. е. показана разуплотненность поверхностного слоя воды. В то же время, если обратиться к аналогичным экспериментам ученых в СССР, то почти все они считают, что плотность воды в контакте с теми же минералами выше плотности воды в объеме жидкости (Думанский, 1960; Овчаренко, 1961; Олодовский, 1974; Кульчицкий, 1975; Железный, 1974; Куриленко, 1970). По-видимому, по этой причине в наиболее авторитетных российских вузовских учебниках по гидрогеологии, например С. Л. Шварцева (1996) и В. А. Кирюхина и др. (1993), при описании связанной воды говорится о более высокой плотности воды в контакте с минералами горных пород. Причем С. Л. Шварцевым эти расчеты сделаны не прямыми, а косвенными методами с использованием приведенных значений константы диссоциации связанной воды; предложенной А. М. Блохом (1969) направленности изменения свойств связанной воды в том же направлении, которое наблюдается при повышении температуры; известного уравнения Вант-Гоффа. По этим расчетам, плотность воды в контакте с монтмориллонитовой глиной около 1,4 г/см3. В то же время в зарубежном учебнике по нефтяной геологии (Дж. Хант, 1982) приведены данные зарубежных исследователей о пониженной плотности воды в контакте с минералами .

В отношении экспериментального определения повышенной плотности поверхностного слоя воды в контакте с твердыми веществами произошел даже крупный казус. Б. В. Дерягин и др. (1971) экспериментально установили, что вода, сконцентрированная из паровой фазы в кварцевых капиллярах диаметром от 10 до 100 мкм, имела плотность 1,4 г/см3, повышенную вязкость и ряд других аномальных свойств. Авторы назвали ее «аномальная вода» или «вода-2». По сведениям А. Адамсона (1979, с. 264), эти опыты Дерягина были повторены в различных лабораториях Англии и США и в основном подтвердились. Вокруг аномальной воды развернулась бурная полемика. Правительственные фонды этих стран оказали исследователям аномальной воды существенную поддержку. Шли разговоры о получении литров аномальной воды для технических нужд. Сведения о ней попали даже на страницы популярной печати. Ее предложили назвать «поливодой». Было высказано предположение о гексагональной полимерной структуре аномальной воды, разработана соответствующая теория .

Большинство научных работ на Национальном симпозиуме по коллоидной химии в США в 1970 г .

было посвящено этой аномальной воде .

Но потом, когда с помощью новых методов определили химический состав «воды-2», оказалось, что ее «аномальные» свойства вызваны значительной примесью кремнезема и других компонентов, которые выщелачивались из стенок стеклянных или кварцевых капилляров. Особенно интенсивно вода выщелачивает свежую поверхность в свежетянутых капиллярах .

История со сверхплотной водой закончилась в 1974 г., когда Дерягин и др. опубликовали в зарубежном журнале статью, в которой сами признали ошибочность своих представлений, отметив, что аномальная вода представляет собой смесь, включающую коллоидные и молекулярные растворенные примеси .

Учитывая вышеприведенные данные о плотности поверхностного слоя воды, ряд ученых из стран бывшего СССР отмечают эту противоречивость представлений (Злочевская, 1969; Квливидзе и др., 1988; Кульчицкий, 1975; Овчаренко и др., 1989). Также неоднозначны данные численных экспериментов по моделированию статистическими методами, оценивавших плотность контактовых слоев воды то как повышенную, то как пониженную (Фишер, 1961; Квливидзе и др., 1988). Вероятно, именно поэтому, крупнейшие специалисты по изучению глинистых пород (на примере которых обычно проводилось подавляющее большинство экспериментальных исследований) Ф. Д. Овчаренко и Ю. И.

Тарасевич, которые ранее сами же экспериментально определяли повышенную плотность поверхностного слоя, в своей более поздней работе (1989) пришли к противоположному заключению:

этот слой менее плотный, чем глубинные слои воды. Причем такими свойствами обладает, по их мнению, в первую очередь внешняя большая часть слоя связанной воды, что обусловлено, по их мнению, относительно более разупорядоченной структурой и разрывом водородных связей молекул .

Внутренняя часть слоя связанной воды – так называемый адсорбционный слой прочно связанной воды – толщиной в несколько первых молекулярных слоев – имеет обычно повышенную плотность, хотя авторы отмечают, что он может иметь и пониженную плотность в зависимости от характера разупорядочивающего влияния структуры твердой поверхности .

Кульчицкий (1975) говорит, что адсорбционный внутренний слой связанной воды обусловлен переходом здесь воды в кристаллическую структуру минерала, так что это, по существу, кристаллизационная вода и говорить о ее плотности – то же самое, что «говорить о плотности кристаллизационной воды гипса»

Таким образом, несмотря на противоречивость представлений о плотности поверхностного слоя воды в контакте с твердыми веществами, даже крупнейшие специалисты по изучению плотности этого слоя из стран бывшего СССР пришли к заключению о разуплотненном состоянии его большей части, и это подтверждается экспериментальными исследованиями зарубежных ученых. Такое разуплотнение обычно объясняют разупорядочивающим влиянием структуры твердых контактирующих минералов на структуру воды, т. е. нарушением характера водородных связей молекул .

Я даю другое, а именно молекулярно-кинетическое объяснение формирования разуплотненного поверхностного слоя, основываясь на действии Т-СРПС .

Выше мной показано на примере твердой плоскости, перемещающейся в пределах поверхностного разуплотненного слоя, что разуплотненное состояние поверхностного слоя воды должно существовать в контакте с этой плоскостью, если ее давление на поверхностный слой не превышает силы температурного расширения жидкости. Значит, в условиях поверхности Земли и на определенных глубинах земной коры поверхностный разуплотненный слой существует везде, так как здесь нет сил сдавливания, которые могли бы преодолеть силу температурного расширения .

Было также отмечено, что активированные скачки молекул в жидкости в определенной мере подобны свободному пробегу молекул в газах. Они также совершаются хаотически в разных направлениях и имеют различную длину. Их началом является точка, где молекула получает сильный удар со стороны одной или нескольких молекул, приобретая большую кинетическую энергию движения. Конечная точка скачка определяется силой сопротивления соседних молекул, расталкиваемых этой энергичной молекулой. Внутри массы молекул и гаснет энергия скачка. Поэтому жидкость можно рассматривать как плотную массу, внутри которой имеется своеобразная газообразная субстанция, создаваемая скачками молекул. Поэтому анализ поверхностных явлений на примере моделей для газов справедлив также по отношению и к этой «газообразной субстанции» скачущих молекул в жидкостях .

Это видно на примере анализа вероятностного контура скачков молекул у стенки сосудов (было показано на примере газов). Молекулы воды, совершая скачки, являющиеся аналогом свободного пробега газовых молекул, уменьшают длину этих скачков со стороны стенки сосуда, когда они приближаются к ней на расстояние, меньшее длины одного скачка. Такое сокращение длины скачка приводит к тому, что молекулы задерживаются здесь меньше, чем при скачке в обратном направлении от контакта, поэтому и возникает тенденция к ускоренному удалению молекул от стенки сосуда. Чем ближе к стенке, тем больше это ускорение, потому что увеличивается разница в длине скачков. Однако возвращение молекул назад к стенке происходит несколько позднее их скачка, так как это не одновременные процессы. Сначала совершается скачок, создавая изменение плотности жидкости, а затем уже жидкость стремится выровнять эту плотность за счет перетекания всей своей массы. Примером этого являются сами «пенистые буруны», когда жидкость не успевает смыкаться позади скачущих молекул. Чем быстрее и чаще молекулы удаляются от стенки сосуда, тем больше количество интервалов между приходом и уходом молекул, тем больше будет накапливаться вакуумных пустот, когда одна молекула ушла, а другая на ее место еще не пришла. Поэтому в поверхностном слое воды у стенки сосуда создается пониженная концентрация молекул, т. е. их разуплотнение. Жидкость в поверхностном слое мгновенно как бы вспенивается, при подходе ее из глубинных слоев в поверхностный. Практически это осуществляется при растекании жидкости, когда увеличивается площадь поверхностного слоя; при этом из глубины жидкости подходят новые слои, которые наращивают поверхностный слой, разуплотняясь и увеличиваясь по толщине, создавая давление по обе стороны границы раздела фаз .

Подобным же образом могут быть рассмотрены все модели, показанные на примере газов, но уже применительно к жидкостям. Все они в той или иной форме подтверждают существование разуплотнения в поверхностном слое воды и жидкостей вообще в контакте с твердыми веществами и возникновение Т-СРПС .

2.1.4.4. Ошибка в современном объяснении механизма формирования поверхностного натяжения жидкости, не позволившая открыть Т-СРПС ранее Поверхностное натяжение жидкости является одним из важнейших свойств поверхностного слоя. Сначала рассмотрим эволюцию представлений о механизме образования поверхностного натяжения. Я приведу дословные и пространные высказывания об этом различных исследователей с тем, чтобы были видны все оттенки их воззрений .

Наиболее ранние представления высказывались в начале ХVIII в.: Лапласом и Юнгом. Приведу их по Ван-дер-Ваальсу и др.

(1936):

«Лаплас в своей кинетической теории нигде не оперировал поверхностным натяжением и все же выводил это явление. Поэтому существовала большая школа, которая не признавала этого натяжения .

Ее последователи говорили: существует лишь молекулярное давление перпендикулярно поверхности, других сил в поверхностном слое не существует. Явление, приписываемое этому натяжению, является просто следствием того, что молекулярное притяжение, действующее на столб, зависит от ограничения притягивающей массы. Противоположное мнение защищалось школой, основанной Юнгом. Последователи этой школы не признавали воззрений Лапласа и допускали существование лишь поверхностного натяжения… И лишь Хэльшофу удалось показать, что оба воззрения, о которых шел спор, вовсе не являются противоречащими, но, наоборот, одно вытекает из другого, так как с их помощью легко вычислить величину поверхностного натяжения» (с. 404) .

Из книги В. Оствальда (1911):

«Поверхность, которою жидкости отграничиваются от свободного, т. е. наполненного их собственными парами, пространства, вследствие действия энергии поверхности, обладает другими свойствами, чем внутренность жидкости. В то время как внутри жидкости всякая частица двигается свободно, лежащие на поверхности удерживаются жидкостью и движению вон из жидкости противодействуют значительные силы. Внутри жидкости каждая частица испытывает со всех сторон равные влияния и поэтому может свободно двигаться, как если бы она не была подвержена никакому действию .

Напротив, если она лежит на поверхности, то из-за влияния прилежащих частиц составляется равнодействующая, перпендикулярная к поверхности. Сила, получающаяся таким образом, очень значительна. Ее можно оценить по способу, данному Стефаном (1886)… Если мы вообразим, что частица двигается изнутри жидкости по направлению к поверхности, то прежде чем достичь ее, она должна преодолеть половину всех взаимодействий, окружающих частиц, что непосредственно видно из фиг. 18 (рис. 31 – Л.Ш.). Если частица затем переходит в верхнее пространство, то она вообще выходит из сферы действия жидкости и становится частицей пара. Итак, чтобы перенести частицу на поверхность, нужно приложить половину той работы, которая нужна для превращения ее в пар. Последняя работа известна, это теплота испарения жидкости… Вообразим, что мы увеличиваем поверхность жидкости. Для этого мы должны переместить некоторое количество внутренних частиц на поверхность и вместе с тем совершить работу. Наоборот, в самой жидкости постоянно выражено стремление, согласно которому как можно больше частиц переходит внутрь, следуя давлению, при этом поверхность уменьшается. Поверхность жидкости ведет себя, как будто к ним приложены стягивающие силы, стремящиеся придать им по возможности малое развитие» (с. 108) .

Из книги Н.К. Адама (1947):

«В пределах жидкой фазы каждая молекула окружена со всех сторон другими молекулами и поэтому испытывает притяжение во всех направлениях. В среднем за промежуток времени, достаточно большой по сравнению с периодом колебания молекул, это притяжение во всех направлениях одинаково. У поверхности, однако, условия совершенно другие. Молекулы, расположенные вблизи поверхности, испытывают со стороны своих соседей притяжение, направленное вовнутрь и в сторону, но не испытывают уравновешивающего притяжения со стороны газообразной фазы, заключающей в себе слишком мало молекул. Таким образом, каждая поверхностная молекула испытывает сильное притяжение, направленное вовнутрь жидкости нормально к поверхности .

Это притяжение, направленное внутрь, приводит к уменьшению площади поверхности вследствие того, что втягивание молекул с Рис. 31. Сферический контур поверхности вовнутрь происходит с большей скоростью, чем обратвзаимодействий (пунктир) молекулы с окружающей средой на ное движение молекул, стремящихся занять место первых. Число поверхности воды молекул в поверхностном слое таким образом непрерывно уменьшается, и сокращение поверхности продолжается до тех пор, пока число молекул внутри жидкости не достигнет максимума, т. е. пока площадь поверхности не примет минимального значения, возможного при данном объеме и при данных внешних условиях или силах…» (с. 12) .

«То обстоятельство, что поверхность жидкости сокращается самопроизвольно, указывает на существование свободной энергии поверхности, т. е. необходимость затраты работы при ее расширении. С молекулярной точки зрения эта работа затрачивается на преодоление притяжения, направленного внутрь жидкости при выводе молекул изнутри к поверхности» (с. 12) .

«Поверхностное натяжение, или свободная энергия единицы поверхности, представляет собой работу, затрачиваемую на преодоление притяжения между поверхностными и более глубокими молекулами при выходе молекул на поверхность. Таким образом, поверхностное натяжение является мерой интенсивности втягивания молекул внутрь жидкости. С повышением температуры тепловое движение молекул и их стремление покидать жидкую фазу усиливается; поэтому, даже если когезия остается неизменной, это должно ослаблять втягивание молекул внутрь. Это и наблюдается в действительности; поверхностное натяжение почти во всех случаях падает с повышением температуры… При приближении температуры к критической сдерживающее усилие, приложенное к поверхностным молекулам, уменьшается, и давление паров растет; по достижении критической температуры поверхностное натяжение исчезает вовсе» (с. 210) .

«С молекулярно-кинетической точки зрения причина поглощения теплоты при изотермическом расширении поверхности заключается в том, что молекулы должны двигаться к поверхности, преодолевая молекулярное притяжение, направленное внутрь. При этом их скорость замедляется этим притяжением, так что температура поверхностного слоя понижается по сравнению с температурой внутренних слоев, если теплота не подводится извне» (с. 25) .

«С точки зрения молекулярной теории, положительная свободная поверхностная энергия (или поверхностное натяжение) обусловлена силами притяжения между молекулами, находящимися внутри жидкости и на ее поверхности. Между поверхностными молекулами не существует никакой особой силы, действующей тангенциально к поверхности» (с. 15) .

Из книги Я.И. Френкеля (1975), первое издание которой было опубликовано в 1945 г.:

«Поверхностное натяжение жидкости измеряется, как известно, свободной энергией ее поверхности, отнесенной к единице площади. Таким образом, оно связано с поверхностной энергией w и поверхностной энтропией s соотношением s = w - Ts .

Поверхностная энергия жидкости может быть определена, вообще говоря, как избыточная потенциальная энергия единицы поверхности, обусловленная недостатком соседей у частиц поверхностного слоя. Таким образом, ее можно считать практически независимой от температуры. Температурная зависимость поверхностного натяжения определяется, следовательно, вторым членом формулы» (с. 351) .

Из книги А. Адамсона (1979):

«Как уже отмечалось, поверхностную энергию можно рассматривать как работу переноса молекулы из объема жидкости на поверхность. Возникновение этой работы связано с тем, что внутри фазы сумма сил, действующих на молекулу, равна нулю, тогда как при движении молекулы к поверхности эти силы становятся несбалансированными. Зная функцию потенциальной энергии взаимодействия между молекулами, модно рассчитать полную поверхностную энергию… Если же зависимость потенциальной энергии от температуры известна. то можно найти также поверхностную свободную энергию .

Результирующая сила, действующая на молекулу вблизи поверхности, направлена внутрь фазы .

… Ясно, что для жидкости растяжение поверхности приводит к переносу молекул из объема в поверхностный слой .

Следующий интересный вопрос – какова глубина поверхностного слоя или области заметно несбалансированных сил? Прежде всего она зависит от радиуса действия межмолекулярных сил. Если только на поверхности жидкости не присутствуют ионы, взаимодействие молекул в основном обусловлено так называемыми вандерваальсовыми силами… Силы этого типа уменьшаются пропорционально приблизительно седьмой ступени расстояния между молекулами и, следовательно, для данной молекулы имеет значение только взаимодействие с одним-двумя слоями ближайших соседей. Иными словами, силы, действующие на молекулу, симметричны уже на расстоянии нескольких молекулярных диаметров от поверхности. Толщина поверхностного слоя имеет тот же порядок. Эту оценку толщины поверхностного слоя подтверждает слабая степень эллиптичности отраженного света при угле падения, равном брюстеровскому углу… Следует также помнить, что тонкий поверхностный слой находится в турбулентном состоянии .

Поскольку жидкость равновесна со своим паром, то ясно, что существует двухсторонний сбалансированный перенос молекул из газовой фазы на поверхность (бомбардировка поверхности и конденсация) и обратно (испарение). Из кинетической теории газов известно, что число молей соударяющихся с 1 см2 поверхности, равно Z P .

2 MRT При комнатной температуре для паров, насыщенных относительно жидкой воды, Z составляет около 0,02 моль/см2с или около 1,21022 молекул/см2с. В равновесных условиях скорость испарения должна быть равна скорости конденсации, отличающейся от Z на множитель немногом меньше единицы (так называемый коэффициент конденсации). Таким образом, на каждом квадратном сантиметре поверхности воды ежесекундно принимается и отдается по 1,21022 молекул. На площадку в 10 2, соответствующую площади, занимаемой одной молекулой воды, за одну секунду падает 1,2107 молекул, и, следовательно, время жизни молекулы на поверхности должно быть порядка десятой доли микросекунды .

Между поверхностным слоем и смежными слоями также имеет место перенос молекул. При комнатной температуре коэффициент диффузии большинства жидкостей примерно равен 10–5 см2/с .

Коэффициент D связан с временем t и суммарным смещением x уравнением Эйнштейна D x 2 2t .

Если принять х равным расстоянию, например, 100, то t составляет около 10–6 с; таким образом, благодаря броуновскому движению имеет место очень быстрый взаимный обмен между поверхностью и прилегающим к ней слоем жидкости .

Итак, из сказанного выше следует, что на молекулярно уровне «покоящаяся» поверхность жидкости фактически находится в сильно возмущенно состоянии, при котором молекулы без конца «снуют» между поверхностью и газовой и жидкой фазами. Средняя плотность поверхностного переходного слоя непрерывным образом меняется от плотности жидкой к плотности паровой фаз, и под микроскопом с соответствующим увеличением поверхность должна была бы выглядеть как бы в дымке» .

Из учебника молекулярной физики А.К. Кикоина и др. (1976):

«Поверхность жидкости, соприкасающаяся с другой средой, например, с ее собственным паром … находится в особых условиях по сравнению с остальной массой жидкости. Возникают эти особые условия потому, что молекулы пограничного слоя жидкости в отличие от молекул в ее глубине, окружены молекулами той же жидкости, но не со всех сторон. Имея разных соседей, молекулы поверхностного слоя взаимодействуют с ними различным образом. Поэтому силы, действующие на каждую молекулу в этом слое, оказываются неуравновешенными: существует сила, направленная в сторону объема жидкости. … Вследствие этого перемещение молекулы из поверхностного слоя в глубь жидкости сопровождается совершением работы (внутри жидкости молекулы, со всех сторон окруженные точно такими же молекулами, находятся в равновесии и их перемещение не требует работы). … В случае если жидкость граничит с собственным паром (насыщенным), то сила испытываемая молекулами поверхностного слоя, направлена внутрь жидкости. Это объясняется тем, что плотность молекул в жидкости много больше, чем в насыщенном паре над жидкостью (вдали от критической температуры) и поэтому сила притяжения, испытываемая молекулой поверхностного слоя, со стороны молекул жидкости больше, чем со стороны молекул пара. Отсюда следует, что, перемещаясь из поверхностного слоя внутрь жидкости, молекула совершает положительную работу. Наоборот, переход молекул из объема жидкости к поверхности сопровождается отрицательной работой, т. е. требует затраты внешней энергии. Представим себе, что поверхность жидкости увеличивается (растягивается). Это значит, что некоторое количество молекул переходит из объема жидкости в поверхностный слой. Для этого надо затратить внешнюю работу. Другими словами, увеличение поверхности жидкости сопровождается отрицательной работой. Наоборот, при сокращении поверхности совершается положительная работа. … Поэтому особые условия, в которых находится поверхность жидкости, заключается в том, что поверхность жидкости обладает избыточной по сравнению с остальной массой жидкости потенциальной (свободной энергией). … Посмотрим, к чему это приводит. Известно, что всякая система при равновесии находится в том из возможных для нее состояний, при котором ее энергия имеет минимальное значение. Применительно к рассматриваемому случаю это означает, что жидкость в равновесии должна иметь минимально возможную поверхность. Это в свою очередь означает, что должны существовать силы, препятствующие увеличению поверхности жидкости, т. е. стремящиеся сократить эту поверхность. Очевидно, что эти силы должны быть направлены вдоль самой поверхности, по касательной к ней. Жидкость ведет себя так, как будто по касательной к ее поверхности действуют силы, сокращающие (стягивающие) эту поверхность. Эти силы называются силами поверхностного натяжения. Нужно, однако, помнить, что первопричиной возникновения сил поверхностного натяжения являются силы, испытываемые молекулами поверхностного слоя, направленные внутрь жидкости. Для разрыва или, как говорят, для раздела поверхности необходимо приложить внешние силы, параллельные к поверхности и перпендикулярные к той линии, вдоль которой предполагается разрыв …. Если изменение поверхности жидкости произвести адиабатично, то ее температура изменится, например, увеличение поверхности приведет к ее охлаждению, а уменьшение – к нагреванию» .

Из учебника физики Д. Джанколи (1989):

«Молекула внутри жидкости находится в равновесии, так как силы со стороны других молекул действуют на нее во всех направлениях и взаимно компенсируются. Молекула на поверхности тоже находится в равновесии (жидкость покоится), даже если на молекулу действуют силы со стороны молекул, находящихся под нею или на одном с ней уровне. Следовательно, возникает направленная в глубь жидкости результирующая сила, приводящая к небольшому стягиванию поверхностного слоя, но лишь до такой степени, когда силы притяжения компенсируются силами отталкивания, возникающими при более тесном сближении молекул. Такое стягивание поверхности можно истолковать в том смысле, что жидкость стремится к состоянию, в котором площадь ее поверхности минимальна. Вот почему капли воды имеют сферическую форму. На молекулу, переходящую изнутри жидкости на поверхность, при увеличении площади поверхности действуют значительные силы со стороны глубинных молекул. В свою очередь, по третьему закону Ньютона на молекулу действует противоположно направленная сила, равная силе поверхностного натяжения» (с. 361) .

Из учебника общей физики И. В. Савельева (1998): «Так как плотность пара (или газа), с которой граничит жидкость, во много раз меньше плотности жидкости, выступающая за пределы жидкости часть сферы молекулярного действия будет менее заполнена молекулами, чем остальная часть сферы .

В результате на каждую молекулу, находящуюся в поверхностном слое толщиной r, будет действовать сила, направленная внутрь жидкости (рис. 32). Величина этой силы растет в направлении от внутренней к наружной границе слоя. Переход молекулы из глубины жидкости в поверхностный слой сопровождается совершением над молекулой действующими на нее в поверхностном слое силами отрицательной работы. В результате этого кинетическая энергия молекулы уменьшается, превращаясь в потенциальную энергию. Подобно этому сила земного тяготения совершает над летящим вверх телом отрицательную работу, что приводит к превращению кинетической энергии тела в потенциальную. При обратном переходе молекулы в глубь жидкости потенциальная энергия, которой обладала молекула в поверхностном слое, переходит в кинетическую. Итак, молекулы в поверхностном слое обладают дополнительной потенциальной энергией. Поверхностный слой в целом обладает дополнительной энергией, которая входит составной частью во внутреннюю энергию жидкости. Поскольку положение равновесия соответствует минимуму потенциальной энергии, жидкость предоставленная самой себе, будет принимать форму с минимальной поверхностью, т. е. форму шара. Из-за наличия поверхностной энергии жидкость обнаруживает стремление к сокращению своей поверхности. Жидкость ведет себя так, как если бы она была заключена в упругую растянутую пленку, стремящуюся сжаться. Следует иметь в виду, что никакой пленки, ограничивающей жидкость снаружи, на самом деле нет. Поверхностный слой состоит из тех же молекул, что и вся жидкость, и взаимодействие между молекулами в поверхностном слое имеет тот же характер, что и внутри жидкости. Дело заключается лишь в том, что молекулы в поверхностном слое обладают дополнительной энергией по сравнению с молекулами внутри жидкости» (с. 143) .

Из этих высказываний следует, что в течение второй половины ХVIII в. и всего XIX в. какихлибо изменений в представлениях о механизме поверхностного натяжения не произошло. Все исследователи говорят о том, что оно обусловлено втягиванием молекул воды ван-дер-ваальсовыми силами с поверхности на глубину и созданием за счет этого некоторого разуплотнения поверхностного слоя, которое в свою очередь и приводит к появлению стягивающих усилий поверхностной пленки – поверхностного натяжения. Роль теплового движения молекул сводится только к увеличению их стремления покидать жидкую фазу, этим ослабляя втягивание молекул и способствуя уменьшению поверхностного натяжения .

Рис. 32. Распределение сил, действующих на молекулу в глубине и на поверхности воды, в соответствии с существующими представлениями По моему мнению, в этом заключается главная, можно сказать фундаментальная, ошибка в объяснении этого явления. Я полагаю, что именно только тепловое движение молекул является первопричиной создания разуплотнения поверхностного слоя. Благодаря ему создаются условия для проявления стягивающих усилий в поверхностном слое жидкости, придавая ему свойства поверхностного натяжения. Никакого реального свойства молекул втягиваться внутрь жидкости ван-дерваальсовыми силами нет, а есть только стремление уменьшить нарушенное тепловым движением разуплотнение поверхностного слоя путем притягивания молекул к его нижней границе .

Для пояснения этого необходимо представить себе: 1) чем жидкости отличаются от газов и твердых тел, 2) какие силы действуют на молекулу, когда она выходит на поверхность .

Первое положение в науке хорошо известно и изложено в любом соответствующем учебнике или научной работе. В газе или парообразной фазе жидкости молекулы обладают большими скоростями движения, поэтому они летают в свободном пространстве, соударяясь и отскакивая друг от друга, со скоростями в соответствии с распределением Максвелла – Больцмана. При понижении температуры скорости молекул замедляются и в процессе их сближения и соударения все более заметным становится влияние дальнодействующих ван-дер-ваальсовых сил притяжения, так что при критической температуре ниже точки кипения все молекулы, сближаясь до расстояний, равных ван-дерваальсовым радиусам, образуют плотную компактную массу – жидкость. При еще более низких температурах эта жидкость приобретает четко выраженную в пространстве внутреннюю структуру и становится твердым телом .

Элементы структурной упорядоченности молекул имеются и в жидкости. Очень наглядное и образное представление об этом дал А. Н. Матвеев (1987) в своем учебнике молекулярной физики:

«Необходимость существования некоторой структуры в жидкости может быть понята из грубой аналогии. Если в шкафу на большой полке необходимо поставить небольшое число банок, то нет необходимости заботиться о том, как их расположить относительно друг друга, чтобы все они поместились на полке. Если же число банок велико, так что они с трудом умещаются на полке, то дело обстоит по-другому. Кое-как поставить банки не удастся, и приходится расставлять их определенным способом, обеспечивающим максимальную экономию места. Расставляемые таким образом банки образуют определенную структуру» (с. 53) .

Как известно, при плавлении твердых тел, обладающих наиболее плотной упаковкой атомов, объем жидкости увеличивается не более чем на 10%. Значит, по плотности упаковки молекул жидкости очень мало отличаются от твердых тел, только в них появляется больше дырок. В целом считается, что если в газе непрерывным континуумом является вмещающее молекулы пространство, т. е. вакуум, то в жидкостях и твердых телах, наоборот, плотно упакованная масса молекул является непрерывным континуумом, а вакуумные пустоты – дырки – редко рассеяны в этом континууме .

По существу все представление о структуре твердых и жидких веществ основано на принципе касания атомов друг друга, которые рассматриваются как упругие несжимаемые шарики. Только жидкости, в отличие от твердых веществ, имеют структуру ближнего порядка, которая проявляется в том, что каждая молекула жидкости имеет в своем ближайшем окружении определенное число соседних молекул, непосредственно контактирующих с ней, но в отдалении от нее постоянная структура отсутствует. Для воды это число равно 4,4 при температуре от 4 до 200 С, что было определено рентгенографическими исследованиями (Эйзенберг и др., 1975), т. е. распределение молекул воды отвечает тетраэдральной конфигурации. К примеру, в так называемых простых жидкостях – жидком неоне и аргоне – молекулы имеют соответственно 8,6 и 10,5 ближайших соседей .

В соответствии с этим при термодинамическом описании структуры жидкости используют так называемые решеточные модели квазикристаллического строения жидкостей в том смысле, что каждая молекула вынуждена двигаться в ячейке возле узла некоторой виртуальной кристаллической решетки (Хилл, 1960; Фишер, 1961; Гиршфельдер и др. 1961; Крокстон, 1978; Смирнова и др. 1987;

Пригожин, 1990). Решеточные теории жидкости существуют в двух вариантах: в виде ранней «ячеечной» теории (или «теории свободного объема») и в виде более поздней «дырочной» теории жидкостей. В первом случае каждой молекуле соответствует определенный узел решетки, так что число молекул и число ячеек, в пределах которых каждая частица движется, одинаково. Во втором случае число узлов решетки и равное ему число ячеек больше числа молекул, так что явно учитывается наличие вакантных ячеек или «дырок» в жидкости. В обоих вариантах теорий принимается, что рассматриваемая решетка является плотно упакованной кубической гранецентрированной и что межмолекулярные потенциалы имеют форму потенциала Леннарда – Джонса. Таким путем было получено качественное приемлемое описание многих термодинамических свойств жидкостей и плотных газов .

В целом структурные группировки воды не являются стабильными. Они очень часто меняются в пространстве и во времени по типу так называемых «мерцающих кластеров» (Молекулярная…,1994) .

Далее рассмотрим, какие силы действуют на молекулу жидкости, когда она выходит из глубины на поверхность. Как показано, в современной науке доминирует представление о жидкостях как веществах с плотной упаковкой молекул, близкой к таковой в твердых веществах. Но в жидкостях в отличие от твердых тел молекулы свободно передвигаются в объеме, осуществляя самодиффузию .

Это движение происходит так, что молекулы в среднем находятся в постоянном соприкосновении друг с другом и в процессе движения, по существу, не изменяют равновесного расстояния между собой. В этом заключается суть всех решеточных теорий строения жидкостей. Можно представить себе, что молекулы двигаются как магнитные шарики, соприкасающиеся поверхностями и при движении проскальзывающие вдоль поверхностей соприкосновения, не удаляясь друг от друга. Значит, они находятся в постоянном соприкосновении друг с другом, Следует подчеркнуть, что это не есть соприкосновение электронными оболочками атомов, а соприкосновение ван-дер-ваальсовыми радиусами взаимодействия между ними, т. е. соприкосновение вдоль поверхностей, где силы притяжения и отталкивания равны нулю. Это, как и магнитным шарикам, не позволяет дальнейшего сближения их собственных поверхностей, а удаляться не дают силы магнитного притяжения .

Из физики хорошо известно, что если молекулы находятся в соприкосновении, то в этот момент между ними начинают действовать так называемые силы близкодействия, или силы взаимодействия соприкосновением. Согласно третьему закону Ньютона сила действия равна силе противодействия .

Значит, когда молекулы находятся на некотором расстоянии друг от друга, они испытывают действие сил взаимного притяжения, которые можно измерить. Для магнитных шариков, например, можно использовать динамометр. Но когда молекулы соприкасаются, то действие притяжения каждой молекулы на другую уравновешивается равным по силе противодействием соседней молекулы и поэтому реальное действие сил притяжения полностью исчезает .

Это можно увидеть из простого эксперимента. Если взять шарики разной степени намагниченности и простые (немагнитные) шарики, например биллиардные шары, и катать их по поверхности друг друга, то независимо от силы притяжения шариков друг к другу или отсутствия таковой вы не почувствуете никакого сопротивления. Но достаточно попытаться раздвинуть два соседних шарика хотя бы на доли миллиметра, как сразу же будет видно различие в силе их взаимного притяжения .

Именно таким образом, скользя, касаясь друг друга поверхностями и не встречая никакого сопротивления действия сил притяжения, движутся шарики-молекулы в глубине жидкости, что следует из широко известных представлений о плотной упаковке молекул и непрерывном континууме их сплошной массы. Следует подчеркнуть, что здесь такое равновесие сил взаимодействия достигается в любой точке касания соседних молекул со всех сторон .

Если молекула в процессе движения из глубины подойдет к поверхности – к внешнему ряду (рис. 33), то, по существу, на нее по-прежнему не будут действовать какие-либо силы, которые противодействовали бы ее приближению к этому ряду. Действительно, молекула соприкасается с соседними молекулами с боков и из глубины, и в каждой точке этого касания все силы притяжения уравновешены силами касания. С внешней стороны соседних молекул не имеется, значит, нет и никаких сил взаимодействия между ними. Поэтому как в этом поверхностном ряду, так и при подходе в этот ряд из глубины молекула не будет испытывать какого-либо реального воздействия соседних молекул, которые препятствовали бы ее приходу в этот ряд. За счет сил касания все силы притяжения сведены к нулю, т. е. находятся в равновесии, что, в частности, отмечено Джанколи (1989); цитату из его учебника я уже приводил .

Совсем другое дело, если попробовать переместить молекулу от внешнего ряда плотной массы молекул хотя бы на самое незначительное расстояние. В этом случае силы касания исчезают и начинают реально действовать силы ван-дерваальсового притяжения молекул друг к другу, которые буРис. 33. Распределение сил притяжения дут притягивать молекулы назад к поверхности жидкости .

(стрелки от центра шаров) и сил соприНо при попадании молекулы на эту поверхность действие косновения (стрелки к центру шаров), этих сил сразу же исчезает, поэтому она уже не будет стредействующих на молекулу воды в глубимиться двигаться в глубину. Значит, действие сил притяжене жидкости в поверхностном ряду мония ограничивается только первым внешним рядом плотной лекул и на молекулу, отсоединенную от массы молекул, да и то если попытаться отделить молекулы него. Видна неуравновешенность этих сил только для последней молекулы этого ряда .

То же самое можно пояснить на основе известного закона Архимеда, согласно которому, если тело, погруженное в жидкость, удерживается в механическом равновесии, то со стороны окружающей жидкости оно подвергается выталкивающей силе гидростатического давления, численно равной весу жидкости в объеме, вытесненном телом. На поверхности каждая молекула воды находится в соприкосновении друг с другом и испытывает притяжение всей массы молекул в глубь жидкости, но в то же время – противоположное и равное по величине влияние архимедовых сил выталкивания молекул наружу. Поэтому никакого реального стремления продвигаться в глубь жидкости она не испытывает, с какой бы силой масса молекул не притягивала ее. Для примера представьте себе, что доска плавает на поверхности жидкости на Луне, на Земле и на какой-либо сверхплотной планете с чудовищно огромной силой тяжести. Пока эта доска свободно плавает на поверхности жидкости или погружается в ее глубину она не «чувствует» разницы в силах притяжения на этих планетах, так как силам притяжения противостоит равная архимедова сила выталкивания. Но если попытаться эту доску приподнять над поверхностью жидкости, сразу же почувствуются реальные силы притяжения и их различие на этих планетах, так как действие архимедовых сил исчезнет .

Если на поверхности плотной жидкости молекула не испытывает никаких реально действующих сил притяжения, она не обладает никакой свободной поверхностной энергией. Значит, глубоко ошибочными являются представления вышеперечисленных исследователей о том, что частица на поверхности испытывает стремление втянуться вглубь жидкости и обладает свободной энергией .

Следует отметить, что в высказываниях этих исследователей нет ни одного упоминания о том, что силы втягивания действуют в пределах уже разуплотненного поверхностного слоя жидкости. Наоборот, считается, что как раз втягивание молекул внутрь жидкости и создает разуплотнение и поверхностное натяжение. В типичном виде это отражено в приведенных цитатах из книги Адама (напомню: втягивание молекул с поверхности внутрь происходит с большей скоростью, чем обратное движение молекул, стремящихся занять место первых, поэтому число молекул в поверхностном слое непрерывно уменьшается). При этом во всех работах принято, что тепловое движение молекул в поверхностном слое, зависящее от температуры и также приводящее к его разуплотнению, является фактором, не способствующим созданию поверхностного натяжения, а, наоборот, стремящимся только уменьшить его. Это следует, например, из того, что Адам сначала описывает механизм формирования поверхностного натяжения путем втягивания молекул вглубь жидкости, а затем независимо от него характеризует уменьшение плотности в поверхностном слое за счет теплового движения молекул, которое, по его мнению, лишь ослабляет втягивание молекул внутрь. То же отчетливо видно и из описания, данного Адамсоном, где он сначала приводит точно такое же объяснение механизма образования поверхностного натяжения, как и Адам, а затем после фразы «следует также помнить, что» дает характеристику теплового движения молекул в поверхностном слое жидкости, совершенно не связывая это движение с процессом формирования поверхностного натяжения .

Подобная трактовка влияния теплового движения молекул на поверхностное натяжение следует из приведенной выше формулы поверхностного натяжения из книги Френкеля, в которой второй член, зависящий от температуры, имеет знак «минус», и значит, при температуре, равной нулю, поверхностное натяжение должно быть максимальным .

Однако, как я уже говорил, никаких сил втягивания молекул жидкости с поверхности вглубь не существует, так как все они компенсированы равными и противоположно направленными силами соприкосновения. Но силы притяжения сразу же появляются, стоит только оторвать поверхностную молекулу от остальной их массы. Сами молекулы под действием сил притяжения-отталкивания оторваться друг от друга не могут. Поэтому возникает вполне логичное и простое объяснение: именно тепловое движение молекул, создающее энергичные скачки, и их испарение могут создать такое положение, когда молекулы отрываются от поверхности жидкости, и тогда на них начинают реально действовать силы притяжения к ней. Такое состояние поверхностного слоя хорошо описано Адамом и Адамсоном, как это видно из вышеприведенных цитат, где отмечается, что на каждом квадратном сантиметре поверхности воды ежесекундно принимается и отдается по 1,210 молекул. Но в отличие от них я считаю, что только после того, как создано это разуплотнение поверхностного слоя в результате теплового движение молекул, начинается действие сил, притягивающих молекулы назад к поверхности жидкости и тем самым создающих эффект поверхностного натяжения в пределах разуплотненного слоя. Именно этот разуплотненный тепловым движением слой является стягивающей пленкой, которая удерживает поверхность жидкости в состоянии натяжения и придает ее каплям сферическую форму .

Это можно показать на примере простых моделей. В качестве первой модели можно взять замкнутую цепочку шариков, нанизанных на резинку наподобие бус, а внутри цепочки разместить плотную массу свободных шариков (рис. 34). Если резинка натянута, но шарики на ней располагаются плотно, то этой цепочке вместе с массой шариков внутри нее можно придать любую форму – линзы, треугольника, прямоугольника и т. д. Если затем внутрь этих фигур втискивать свободные шарики, увеличивая объем фигур, то резинка в цепочке будет растягиваться и шарики, нанизанные на нее, будут рассоединяться. Поэтому действовавшая между ними сила соприкосновения исчезает и внешняя цепочка шариков приобретает реальное свойство стягивать всю массу свободных шариков внутри нее так, что все ее формы постепенно приобретают форму круга. То же самое делает поверхностное натяжение с каплей воды, стремясь придать ей форму шара. Значит, именно разуплотнение в цепочке шариков и вызванное этим натяжение резинки придает цепочке свойства поверхностного натяжения .

Второй моделью может служить обыкновенный воздушный шарик. Когда он не надут, то ему можно придать любую форму. Но как только шарик надувают, его резиновая поверхность растягивается и он стремится принять форму шара .

Следует подчеркнуть, что в обоих случаях возникновение поверхностного натяжения происходит непосредственно за счет разуплотнения поверхностного слоя, когда реально появляется сила его стягивания .

При повышении температуры молекулы совершают скачки, как в глубине жидкости, так и над поверхностью на большее расстояние и чаще и поэтому толщина разуплотненного поверхностного слоя увеличивается, но кажется парадоксальным, что при этом величина поверхностного натяжения уменьшается. Однако ничего удивительного и противоречивого в этом нет, так как здесь возрастает расстояние между молекулами и их удаленность от поверхности жидкости. Поэтому на этих более значительных расстояниях действие ван-дер-ваальсовых сил притяжения в соответствии с потенциалом Леннарда – Джонсона уменьшается и сила стягивания поверхностной разуплотненной пленки ослабевает .

Впервые теорию поверхностного натяжения, основанную на существовании разуплотненного поверхностного слоя, развил Вандер-Ваальс (1936). Но в его высказываниях нет четкого представления о причинах возникновения разуплотнения. С одной стороны, он отмечал, что «давление в жидкости имеет кинетический характер. Оно равно моменту движения, который в единицу времени переносится молекулами через единицу поверхности воображаемой перегородки внутри жидкости. Эта кинетическая энергия зависит лишь от скорости молекул и числа столкновений с этой воображаемой перегородкой. … Если начиная от внутренней части Рис. 34. Модель формирования жидкости проходить через поверхностный слой, то … должно поверхностного натяжения на уменьшаться также кинетическое давление. Последнее, однако, примере замкнутой цепочки шатеснейшим образом связано с плотностью; таким образом плотриков, соединенных резинкой в виде бус, и плотной массы шари- ность внутри жидкости не может быть равна плотности на поверхков внутри этих бус ности» (с. 374). Не все части поверхностного слоя вносят положительное значение в поверхностное натяжение. Напротив, можно сказать, что нижние слои, которые можно назвать расширенной жидкостью, дают положительную величину, а верхние слои, состоящие из сжатого пара, дают отрицательную величину» (с. 405) .

Из этих высказываний можно сделать вывод, что причину формирования разуплотненного слоя Ван-дер-Ваальс видел в тепловом кинетическом движении молекул .

В другом разделе монографии он говорит: «Лаплас принимает, что плотность внутри жидкости точно равна плотности на поверхности ее. Но энергия элемента объема с одинаковой плотностью на поверхности жидкости безусловно больше, чем внутри нее, так как частица теряет энергию, когда она находится вблизи других молекул. Внутри жидкости элемент объема окружен со всех сторон жидкостью, следовательно, он теряет большее количество энергии, чем такой же элемент на поверхности»

(с. 76) .

Здесь он использует ту же аргументацию, которой пользуются все исследователи, объясняющие формирование поверхностного натяжения за счет втягивания молекул в глубь жидкости за счет различия в энергии взаимодействия молекул .

Следует отметить, что почти во всех крупных научных работах по термодинамике и статистической физике поверхностных явлений признается существование на поверхности жидкости разуплотненного поверхностного слоя (Райдил,1936; Русанов,1967, 1994; Гиршфельдер и др., 1961; Фишер, 1961; Оно и др., 1963; Джапаридзе, 1978; Крокстон, 1978; Джейкок и др., 1984; Роулинсон и др., 1986). При внимательном прочтении этих работ создается впечатление, что их авторов совершенно не интересует способ образования этого слоя, т. е. в какой мере здесь участвует процесс втягивания молекул в глубь жидкости и в какой степени влияет тепловое движение молекул. Например, при моделировании методами молекулярной динамики поверхностных явлений Крокстон и Фернье считали (см. Крокстон, 1978, с. 253), что «от верхней границы слоя происходит упругое отражение атомов, а нижняя граница описывается с помощью матрицы теплового разрушения, моделирующего взаимодействие поверхностной и объемной фаз». Иными словами, можно полагать, что в расчетах авторы придерживаются представления о формировании слоя только в процессе хаотического теплового движения молекул, говоря о «матрице теплового разрушения». Другие исследователи, например, Леннард-Джонс и Корнер, развили теорию поверхностного натяжения с учетом обобщения теории свободного объема жидкостей, учитывающим существование разуплотненного поверхностного слоя .

В их расчетах «одним из основных предположений является то, что узлы решетки в поверхностном слое слегка сдвинуты по направлению внутрь жидкости так, что потенциальная энергия системы, состоящая из всех молекул, расположенных в своих узлах в полубесконечной колонне, достигает минимума» (см. Гиршфельдер и др., 1961, с. 275). Значит, они признавали формирование поверхностного натяжения за счет втягивания молекул вглубь жидкости .

Причем эти несколько фраз, которые мне удалось найти, по существу, являются почти единственными, на основании которых хоть как-то можно догадаться об их взглядах на молекулярнокинетический механизм формирования поверхностного слоя. В подавляющем большинстве работ сразу дается представление о наличии поверхностного разуплотненного слоя и проводится абстрактный термодинамический анализ на основе понятия о свободной поверхностной энергии. Причем, Гиббс, например, хотя и имел в виду возможность существования поверхностного разуплотненного слоя определенной толщины, но при построении своей термодинамической теории поверхностных явлений предпочел ввести понятие о разделяющей поверхности, не имеющей толщины, по отношению к которой и вел все расчеты (см. Русанов, 1967). Иначе говоря, специалистами по термодинамике и статистической физике молекулярно-кинетический механизм происхождения поверхностного слоя специально не анализировался. Однако ими определялась толщина поверхностного разуплотненного слоя как экспериментально, методом изучения эллиптической поляризации света, методом автоадсорбции, так и методами термодинамической теории и статистико-механических вычислений (Русанов, 1967; Русанов и др., 1972; Фишер, 1961; Хабаров и др., 1976) .

По моему мнению, молекулярно-кинетический механизм формирования поверхностного натяжения можно представить следующим образом. Разуплотненный поверхностный слой формируется только в процессе хаотического теплового движения молекул, совершающих скачки из глубины жидкости, частично испаряясь, а частично возвращаясь назад в жидкость. Так это одним из первых описал Р. Клаузиус (1937). Никакого разуплотнения за счет втягивания молекул с поверхности вглубь жидкости, как считают сейчас ученые, не происходит, потому что на самой поверхности плотной жидкости и в ее глубине силы притяжения между молекулами компенсированы равными по величине силами касания, имеющими на поверхности характер архимедовых сил. Поэтому если бы не было теплового движения молекул, и в первую очередь активированных скачков, когда они с силой выскакивают за пределы поверхности жидкости и образуют здесь разуплотненный слой определенной толщины, то никакого поверхностного натяжения не существовало бы. Как только молекулы в результате активированных скачков выходят за пределы поверхности плотной массы жидкости, между ними, а также между ними и поверхностью возникают реально действующие ван-дер-ваальсовы силы притяжения, которые до этого были скомпенсированы силами соприкосновения. Каждая выпрыгнувшая молекула, с одной стороны, еще не потеряла своей энергии движения в направлении от жидкости и движется в этом направлении, а с другой стороны, на нее сразу же начинает воздействовать ван-дер-ваальсовы силы притяжения. Поэтому наиболее сильно их воздействие вблизи поверхности жидкости, где вероятностный контур распределения сил в пространстве имеет наибольший размер (рис. 34). По мере удаления от поверхности эти контуры уменьшаются, так как количество выпрыгнувших молекул меньше и они дальше удалены от поверхности жидкости. Поэтому и силы притяжения между молекулами слабее .

Явление реально действующего притяжения между молекулами приводит к тому, что поверхностный, вернее надповерхностный, близкий к газообразному состоянию, слой со свободно двигающимися в нем молекулами обладает свойствами стягивающей пленки, которая, в свою очередь, придает поверхности свойства поверхностного натяжения. Следует подчеркнуть, что именно этот слой, разуплотненный за счет присутствия здесь скачущих молекул, создает поверхностное натяжение (слой «б» на рис. 34). Кроме того, когда молекулы выскакивают за пределы поверхности жидкости, позади себя они оставляют пустоты – дырки, которые также создают разуплотнение жидкости. Поэтому в нижней части слоя (слой «а» на рис. 34), откуда удалились скачущие молекулы, также возникает реальное действие стягивающих сил и он сам также является частью поверхностного слоя и участвует в формировании поверхностного натяжения, по-видимому, даже наиболее существенным образом .

Как можно видеть на рис. 35, действие сил притяжения между молекулами в пространстве является асимметричным. Наиболее сильно они притягиваются по направлению к поверхности жидкости, так как, во-первых, в этом направлении больше количество скачущих молекул, а во-вторых, сама масса плотной жидкости обладает большой силой притяжения. Эти силы стремятся притянуть каждую молекулу к поверхности жидкости. Следует опять подчеркнуть, что они стремятся не втянуть ее внутрь жидкости, а только притянуть к ее поверхности, т. е. к нижней части разуплотненного слоя. Но этому притяжению противодействует молекулярно-кинетическая сила активированных скачков молекул, т. е .

энергия их теплового движения. В результате действия этих двух противоположно направленных сил на поверхности жидкости образуется статически постоянный разуплотненный слой молекул .

Что же происходит, когда площадь поверхности жидкости увеличивается в процессе ее растекания? Площадь поверхностной разуплотненной пленки увеличивается, значит, количество молекул в ней уменьшается и исчезает то равновесное состояние, которое существовало между силами притяжения скачущих молекул к поверхности жидкости и молекулярно-кинетической силой скачков молекул. В пределах этого разуплотненного больше нормы слоя сила притяжения между молекулами ослабевает, в том числе и вблизи поверхности самой жидкости, так как здесь уменьшается и количество соседних молекул. Поэтому, чтобы восполнить недостаток молекул и привести разуплотненный слой в прежнее состояние равновесия, этот слой стремится принять с поверхности жидкости большее количество молекул. Насколько долго растекается жидкость, увеличивая свою поверхность, настолько же будет продолжаться поступление молекул с поверхности жидкости, чтобы поддержать в разуплотненном слое прежний стабильный уровень разуплотнения. Здесь гравитационные силы, растягивающие поверхностный слой вдоль по касательной, имеют большую величину, чем притяжение к нижней границе слоя заключенных в нем молекул .

Можно сказать и по-другому. При увеличении поверхности жидкости в ее плотной массе (на границе с поверхностным слоем) образуются своего рода вакуумные трещины, куда, как в вакуум, всасываются молекулы из глубины жидкости. Никакой работы при этом они не производят, вследствие дроссельного эффекта Джоуля – Томпсона: адиабатическое расширение молекул плотного газа в вакуум не сопровождается совершением работы. Но если этот же газ адиабатически расширяется в сторону менее плотного, то за счет его внутренней энергии совершается работа и происходит охлаждение газа. Именно это происходит, когда молекула, попавшая из глубины к поверхности в «трещину», затем переходит в разуплотненный поверхностный слой. В этот момент она уже совершает работу, попадая в газообразный разуплотненный поверхностный слой. Поэтому поверхностный слой жидкости, охлаждается, но именно в момент перехода в него молекулы из плотной массы жидкости .

Рис. 35. Контуры распределения сил притяжения (стрелки от центра шаров) и сил соприкосновения (стрелки к центру шаров), действующих на молекулу воды в глубине жидкости, на границе с разуплотненным поверхностным слоем и в пределах этого поверхностного слоя а – нижняя часть разуплотненного поверхностного слоя, образованная в результате удаления из плотной жидкости молекул в процессе их скачков; б – верхняя часть разуплотненного поверхностного слоя, образованная за счет тех молекул, которые выскакивают из нижней части за пределы поверхности плотной жидкости Если гравитационные силы, растягивающие разуплотненный поверхностный слой, уменьшаются или исчезают, то начинает доминировать сила притяжения молекул к нижней границе поверхностного слоя, за счет которой избыточное количество молекул сокращающегося поверхностного слоя притягивается к нижней его границе и переходит в состав плотной массы жидкости, перемешиваясь с глубинными молекулами. Этим поддерживается постоянное количество молекул в поверхностном слое и, значит, постоянная степень разуплотнения и поверхностного натяжения. Но происходит это уже без совершения внутренней работы жидкости. Наоборот, та внутренняя энергия, которая была затрачена на создание новых участков разуплотненного слоя, выделяется в виде тепла и именно, в этот момент поверхностный слой нагревается .

Рис. 36. Модель формирования поВ случае последующего увеличения гравитационных сил верхностного натяжения на примере растяжения поверхностного слоя скорость «прилипания» молепритягивающихся друг к другу магкул к его нижней границе уменьшается, а затем молекулы опять нитных шариков, которые выбиваются молоточками из поверхностного начинают в большем количестве отрываться от этой границы с слоя целью поддержания постоянной степени разуплотненности слоя .

Пояснить механизм формирования поверхностного натяжения можно на простых моделях. Если взять группу магнитных шариков, то, стягиваясь, они образуют плотную компактную массу, которой, как отмечалось выше, можно придать любую форму, т. е. эта масса шариков не будет иметь каких-либо признаков поверхностного натяжение. Но если по поверхностным шарикам по всему периметру ударять молоточком (рис. 36) так, чтобы шарики отделялись от Рис. 37. Схема механизма, моделирующего возникновеосновной массы, но не отлетали от нее даление поверхностного натяжения жидкости и силы разупко, находясь в поле ее притяжения, то полотнения ее поверхностного слоя. Слева механизм неподверхностный слой разуплотненных шариков вижен и динамометры не показывают действие какихлибо сил. Справа – механизм в движении: вращающийся приобретет свойства поверхностного натякривошип через подвижные стержни с пружинами, про- жения и масса шариков примет сферическую пущенными сквозь отверстия в магнитном кольце (точ- форму .

ками), ударяет по магнитным шарикам поверхностного То же самое можно показать на примере слоя, заставляя их подскакивать и этим создавая силу их простой механической модели (рис. 37). Местягивания друг с другом (поверхностное натяжение – жду двумя горизонтально расположенными динамометр вверху) и силу суммарных ударов шариков о дисками из прозрачной пластмассы – металплоскость над ними (силу разуплотнения поверхностного лическое магнитное кольцо, на поверхности слоя – динамометр справа) которого размещена цепочка притягивающихся друг к другу магнитных шариков, соединенная с верхним динамометром. В центре магнитного кольца имеется вращающийся кривошип, который через пружинные стержни, проходящие сквозь отверстия в магнитном кольце, ударяет по шарикам и заставляет их отскакивать на некоторое расстояние от поверхности кольца в пределах действия его магнитного поля. Сбоку от механизма – динамометр с площадкой, о которую ударяются подскакивающие шарики .

Если кривошипный механизм не вращается, магнитные шарики в цепочке плотно соприкасаются друг с другом и ни один динамометр не показывает никаких сил. Но как только кривошипный механизм начинает вращаться, шарики подскакивают и этим создают разуплотнение в цепочке, приводя в реальное действие силы стягивания шариков друг с другом и динамометр начинает ее показывать .

Это и есть аналог силы поверхностного натяжения, которая начинает действовать только в случае разуплотнения слоя шариков, в данном случае – под действием ударов по ним со стороны магнитного кольца .

Одновременно начинает показывать действие силы и второй динамометр, помещенный сбоку .

Он показывает силу ударов подскакивающих шариков о площадку динамометра. Эта сила есть сила разуплотнения поверхностного слоя шариков, а в реальных жидкостях – сила разуплотнения их поверхностного слоя – Т-СРПС .

Таким образом, сам разуплотненный поверхностный слой, создающийся в процессе тепловых скачкообразных движений молекул на поверхности жидкости, является тем активным механизмом, который создает поверхностное натяжение. Непосредственное формирование поверхностного натяжения происходит не путем втягивания молекул в глубь жидкости, как это принято сейчас, а за счет необходимости поддержания постоянной толщины и плотности этого слоя при увеличении его площади, что непосредственно выражается в виде притяжения молекул к нижней границе разуплотненного поверхностного слоя с плотной массой жидкости .

Это представление полностью согласуется с термодинамикой поверхностного слоя. Как показано выше, при расширении он охлаждается, а при уменьшении поверхности – нагревается. Молекулы совершают работу при входе в этот слой, но только при входе в него, а не при подходе к нему из глубины жидкости. Если он нагревается при уменьшении площади, значит, он обладает потенциальной поверхностной энергией, которая называется также свободной энергией. Он стремится к состоянию равновесия, т. е. к уменьшению своей потенциальной энергии при уменьшении площади поверхности за счет притягивания избыточных молекул к нижней границе слоя с плотной неразуплотненной массой жидкости .

По моему мнению, причиной того, почему вышеизложенная ошибка в представлениях ученых о механизме формирования поверхностного натяжения не позволила открыть раньше силу разуплотнения поверхностного слоя воды и жидкостей вообще, является то, что все внимание исследователей было сосредоточено на механизме втягивания молекул в глубь жидкости, а тепловое движение молекул считалось только фактором препятствующим этому. Если бы сразу в этом процессе была признана главенствующая роль теплового движения, как показано выше, то до открытия силы разуплотнения поверхностного слоя был бы всего один шаг и, наверняка, оно было бы сделано раньше. Очень близок был к этому еще в начале XIX века. Ван-дер-Ваальс, говоривший о нижней части поверхностного слоя как о «расширенной жидкости», образующейся в процессе «кинетического давления» молекул. Но затем вся эта рациональная идея утонула в море абстрактных термодинамических рассуждений и математических формул, почти не касавшихся собственно молекулярно-кинетического механизма формирования поверхностного натяжения или рассматривающих только некоторые его аспекты .

2.1.4.5. Приобретение поверхностным слоем воды некоторых свойств твердого тела Любое твердое тело обладает свойствами с определенной силой сопротивляться растяжению в продольном направлении и сдавливаться в поперечном направлении. Поэтому главной его механической характеристикой является прочность на сдавливание и растяжение. Такими же свойствами обладает поверхностный слой жидкости, обладающий поверхностным натяжением, расклинивающим давлением Дерягина, повышенной вязкостью и создающий трение на своей границе с другими веществами. Рассмотрим последовательно эти свойства .

Формирование поверхностного натяжения как силы, противодействующей растяжению поверхностного слоя в продольном направлении В настоящее время считается, что поверхностное натяжение образуется за счет втягивания молекул ван-дер-ваальсовыми силами вглубь жидкости и приведения за счет этого поверхностной пленки в натянутое состояние, благодаря которому, например, капля воды приобретает сферическую форму .

Я предлагаю, как показано выше, принципиально новое представление о механизме формирования поверхностного натяжения, считая, что тепловое молекулярно-кинетическое движение молекул, создавая Т-СРПС, формирует разуплотнение поверхностного слоя, который приобретает свойства натянутой пленки, стягивающей жидкость за счет приведения в реальное стягивающее действие ван-дерваальсовых сил притяжения между молекулами. Разуплотнение жидкости в поверхностном слое ведет к созданию нового состояния в ней. Если в объеме жидкости молекулы совершают колебательные движения в среднем около равнодействующей между ван-дер-ваальсовыми силами притяжения и короткодействующими силами отталкивания (имея в виду, что эта средняя точка асимметрично смещена в сторону короткодействующих сил), то в поверхностном слое эта средняя амплитуда смещена в сторону большего действия сил притяжения, которые стремятся стянуть их, создавая таким образом напряженные взаимоотношения. Это подобно тому, как натянутый резиновый жгут отличается большей упругостью и твердостью от ненатянутого. При этом сила притяжения резко возрастает по мере удаления молекул от равнодействующей точки на некоторое небольшое расстояние и только потом, переходя максимум, начинает уменьшаться. Наибольшей величины поверхностное натяжение достигает, когда расстояние между молекулами приходится на этот максимум действия сил и это действие уменьшается при увеличении расстояния .

Поверхностная пленка жидкости отличается от обычных эластичных пленок в том, что сила ее натяжения, определяемая коэффициентом поверхностного натяжения, всегда постоянна и не зависит от величины растягивания пленки, т. е. увеличения поверхностного слоя .

Поверхность увеличивается, как только гравитационная растягивающая сила превысит коэффициент ее поверхностного натяжения. Но до этого предела она стягивает жидкость, как эластичная пленка, заставляя ее собираться в сферические капли. Как только этот предел достигнут, поверхностный слой как бы разрывается и в эти разрывы подходят глубинные слои жидкости, которые наращивают поверхностный слой. Фактически гравитационные силы, растягивающие пленку, всасывают глубинную жидкость в образующиеся разрывы поверхностного слоя, и чем легче осуществить это всасывание, тем меньше поверхностное натяжение .

Такое всасывание легче осуществить в двух случаях:

1) если ван-дер-ваальсовы силы натяжения между молекулами ослаблены;

2) если имеются еще дополнительные силы, которые как бы вдавливают глубинные молекулы в эти разрывы .

Первое осуществляется при повышении температуры, когда тепловое движение молекул усиливается и разуплотненность поверхностного слоя возрастает. В связи с этим расстояние между молекулами возрастает, и поэтому действие тангенциальных ван-дер-ваальсовых сил ослабевает в соответствии с потенциалом Леннарда-Джонса. Все это облегчает разрыв поверхностного слоя и снижает поверхностное натяжение, что хорошо известно .

Второе осуществляется, когда в жидкости имеются поверхностно-активные вещества или жидкость находится в контакте с другими плотными фазами – твердыми или жидкими веществами. Поверхностно-активные силы заставляют растворенные вещества подходить к поверхности и этим способствуют облегчению его разуплотнения за счет силового наращивания поверхностного слоя этими веществами, что благоприятствует его растяжению гравитационными силами. Подобным же образом действует и притяжение молекул жидкости со стороны более плотных граничащих фаз, так как в этом случае им легче заполнить разрывы, образующиеся в жидкости при увеличении ее поверхности .

Это также подтверждается снижением здесь поверхностного натяжения .

Таким образом, в объяснении причины поверхностного натяжения можно обойтись без представления о силе втягивания молекул в глубину жидкости ван-дер-ваальсовыми силами. Однако необходимо отметить, что конкретно действие сил по увеличению поверхности жидкости проявляется в подходе глубинных молекул к поверхности и наращивании за счет их поверхностного слоя. Поэтому формально, если не вдаваться в механизм формирования поверхностного слоя, поверхностное натяжение можно условно трактовать как зависящее от силы втягивания молекул в глубь жидкости, хотя, как отмечалось выше, одно это втягивание не способно осуществиться по той же причине, по которой барон Мюнхгаузен не может сам себя вытащить из болота за волосы .

Здесь возможно только действие притягивания молекул, входящих в состав разуплотненного поверхностного слоя, к нижней его границе, так как ниже ее реальная возможность действия притягивания молекул вглубь исчезает. При этом условии поверхностное натяжение можно трактовать как зависящее от силы притяжения молекул к нижней границе поверхностного слоя, т. е. от их стремления уплотнить этот слой. Иначе говоря, здесь действуют не поверхностные силы втягивания молекул вглубь жидкости, а силы, стремящиеся уменьшить разуплотнение поверхностного слоя, созданные молекулярно-кинетическим тепловым движением молекул .

Значит, при таком объяснении, чем больше величина сил, способствующих разуплотнению этого слоя, т. е. в этом случае притяжение молекул к нижней границе слоя ослабевает (при повышении температуры, действии поверхностно-активных сил, притяжении со стороны границы с другими жидкими и твердыми веществами), тем больше разуплотнение слоя и тем меньше величина поверхностного натяжения. Так же и наоборот: чем меньше величина этих сил, т. е. сильнее притяжение молекул к нижней границе слоя, тем меньше его разуплотнение, сильнее действие ван-дер-ваальсовых стягивающих сил, больше поверхностное натяжение .

Следовательно, хотя термодинамическое понятие о свободной поверхностной энергии как энергии незаполненных внешних связей молекул со стороны поверхности, является в принципе верным, но сущность проявления поверхностной энергии заключается во втягивании молекул вовнутрь уже разуплотненного молекулярно-кинетическим тепловым движением молекул поверхностного слоя. ТСРПС жидкости, создавая разуплотнение молекул и поверхностное натяжение, придает поверхностному слою такое свойство любого твердого тела, как способность сопротивляться удлинению в продольном направлении с силой поверхностного натяжения. Как только растягивающая механическая сила превышает величину поверхностного натяжения, слой способен свободно и неограниченно увеличивать свою поверхность за счет подхода к нему молекул из нижнего контакта слоя. Но если гравитационная растягивающая уменьшается или исчезает, поверхностный слой сам за счет силы своего стягивания способен неограниченно сокращаться по площади с возвращением молекул к нижней границе слоя и включением его в состав глубинных слоев .

Таким образом, сам разуплотненный поверхностный слой, создающийся в процессе тепловых скачкообразных движений молекул на поверхности жидкости, является активным механизмом, который создает поверхностное натяжение. Непосредственное формирование поверхностного натяжения происходит не путем втягивания молекул в глубь жидкости, как это принято сейчас, а за счет необходимости поддержания постоянной толщины и плотности этого слоя при увеличении его площади, что непосредственно выражается в виде притяжения молекул к нижней границе разуплотненного поверхностного слоя с плотной массой жидкости .

Это представление полностью согласуется с термодинамикой поверхностного слоя. Как показано выше, при расширении он охлаждается, а при уменьшении поверхности – нагревается. Молекулы совершают работу при входе в этот слой, но только при входе в него, а не при подходе к нему из глубины жидкости. Если он нагревается при уменьшении площади, значит, он обладает потенциальной поверхностной энергией, которая называется также свободной энергией. Он стремится к состоянию равновесия, т. е. к уменьшению своей потенциальной энергии при уменьшении площади поверхности за счет притягивания избыточных молекул к нижней границе слоя с плотной неразуплотненной массой жидкости .

Формирование расклинивающего давления Дерягина как силы противодействующей разрыву поверхностного слоя при его сжатии в поперечном направлении Расклинивающее давление было открыто Б.В. Дерягиным при проведении экспериментов (Дерягин и др., 1935). Эксперименты проводились с двумя плотно сложенными пластинками слюды, помещенными в контейнер с водой. Обнаружилось, что вода, проникая в щель между пластинами, с определенной силой раздвигала их на некоторое расстояние, зависящее от величины сдавливания этих пластинок слюды. Эта сила названа «расклинивающим давлением». В последующих экспериментах Б. В .

Дерягина совместно с М. Кусаковым (Дерягин и др., 1936, 1937) определили усилие, также названное расклинивающим давлением, которому способен сопротивляться поверхностный слой жидкости, придавленный газовым пузырьком к твердой поверхности (рис. 38). Определено, что это усилие определяется по формуле P 2 r, где r – радиус пузырька, – поверхностное натяжение. Другими словами, величина расклинивающего давления сопоставима с величиной поверхностного натяжения. Был проведен еще эксперимент со слюдой. От нее наполовину отщеплялся один листок, в раскол вводилось несколько капель воды и под ее воздействием расщепление продолжалось уже самопроизвольно (рис. 39) .

Иначе говоря, расклинивающее давление поверхностной пленки воды раздвигало пластинки слюды .

Затем было определено расклинивающее действие свободных пленок растворов поверхностноактивных веществ при сдавливании их между двумя газовыми пузырьками (Дерягин и др., 1963) .

На этом основании они объясняли действием расклинивающего давления понижение прочности твердых тел под действием поверхностно-активных веществ (эффект Ребиндера), устойчивость от слипания и коагуляции дисперсных частиц в золях и коллоидах, набухание порошков, глин и т. д. Б.В. Дерягиным (1986) разработана Рис. 38. Один из простейших экспериментов теория устойчивости коллоидов и тонких пленок, где Б. В. Дерягина и др. (1937) по определению объясняется возникновение расклинивающего давления .

расклинивающего давления путем придавливания поверхностной пленки воды к стеклян- По его мнению, оно возникает в момент перекрытия двух ной пластинке свободным пузырьком воздуха поверхностных зон жидкостей, когда сближаются две поверхности каких-либо фаз (твердых, жидких или газообразных), между которыми заключена эта жидкость. Он рассматривает несколько слагающих расклинивающего давления, зависящих от эффектов перекрытия зон поверхностных сил различной природы. Это в основном Рис. 39. Эксперимент Б. В. Дерягина и др .

(1936) с пластинкой слюды, расщепленной четыре слагающие: структурная, обусловленная ориенклином. При погружении ее в воду расщепле- тировкой диполей воды вблизи поверхности фаз, элекние слюды самопроизвольно продолжается тростатическая, связанная с электростатическими силами дальше (пунктир) притяжения-отталкивания сближающихся заряженных поверхностей, дисперсионная и адсорбционная, обусловленные дисперсионными молекулярными силами притяжения .

Если обратить внимание на проведенные Дерягиным эксперименты, то можно заметить, что наиболее достоверные количественные результаты были получены при придавливании поверхностного слоя жидкости газовым пузырьком к твердой поверхности или между двумя газовыми пузырьками. Показано, что расклинивающее давление по величине сопоставимо с поверхностным натяжением, и это понятно, так как при этом сдавливание ведет, по существу, к растяжению пленки по касательной. Если сжимать два воздушных шарика, то все сжатие трансформируется в усиление растяжения резиновой оболочки шариков и их разрыв .

Вполне резонно распространить это представление и на устойчивость дисперсных систем, так как там главным фактором стабильности во взвешенном состоянии частиц золей, гелей, ликвационных капелек жидкости является свойство раздавливания и разрыва той пленки жидкости, которая разделяет эти частицы при их сближении и соударении. Эта сфера деятельности расклинивающего давления сейчас общепризнанна. В частности, Я.И. Френкель, полностью соглашаясь с ней, отмечал, что явление расклинивающего давления было показано Д.Л. Талмудом и С.Е. Бреслером еще в 1934 г.; они заметили, что две капли ртути, погруженные в расплавленный парафин, не сливаются, как в обычных условиях, но остаются разделенными тончайшей пленкой жидкости. Однако понятие о расклинивающем давлении и его величине этими исследователями даны не были .

Следует отметить, что это явление легко заметно на самом простом примере: обычная тарелка с супом, на поверхности которого плавают кружочки жира. Видно, что эти кружочки при столкновении не сливаются друг с другом, а продолжают контактировать через тончайшую пленку воды. Чтобы эти кружочки слились, надо их подтолкнуть навстречу друг другу двумя ложками. Это усилие и есть расклинивающее давление Дерягина. Так его и следует понимать, хотя сам термин «расклинивающее давление» не совсем точен .

Гораздо меньшую определенность имеют исследования Дерягина, посвященные собственно расклинивающему действию поверхностного слоя при проникновении воды в микропоры, щели и трещины в твердых веществах, проявляющемуся при набухании глин, коллоидов, увеличении трещиноватости в горных породах и т. д. В самом первом эксперименте по определению расклинивающего давления между поверхностями двух слюдяных пластинок он определял не общую силу, с которой вода раздвигает эти пластинки, а только изменение толщины прослойки воды при ее сдавливании под определенной нагрузкой. Максимально в эксперименте это была нагрузка в 192 г/см2. При такой нагрузке не достигалось выдавливания прослойки воды в целом из щели между пластинками, т. е. поверхностный слой не разрывался так, как это происходило при его придавливании газовым пузырьком к твердой поверхности. Причем Б.В. Дерягин отмечает, что, по-видимому, полное выдавливание жидкости может происходить только при огромных давлениях .

Также не количественно, а только качественно им иллюстрировалось расклинивающее давление на примере отщепляющейся пластинки слюды при введении в место раскола воды. По существу можно сказать, что основная часть этого давления, как способного что-то расклинивать, т. е. раздвигать стенки трещин (из-за чего и было ему дано соответствующее название), Б. В. Дерягиным не исследована экспериментально на количественной основе. В теоретическом плане он анализирует только вариант сближающихся плоскостей и уменьшения толщины заключенной между ними прослойки жидкости и перекрытия поверхностных слоев, но не анализирует, как возникает давление, заставляющие плоскости раздвигаться .

Однако если проанализировать именно этот вариант раздвигания под действием давления микротрещин в твердых породах, то можно прийти к выводу, что расклинивающее давление, в соответствии с теми свойствами поверхностного слоя воды, о которых говорит Б.В. Дерягин, не способно само что-либо расклинивать, а способно только сопротивляться сжатию этого слоя воды. Если в вышеотмеченном эксперименте отщепить пластинку слюды и в место раскола ввести несколько капель воды, то вода действительно будет способствовать дальнейшему расклиниванию и продолжению отщепления пластинки. Но за счет чего это происходит? Вода проникает в острие трещины, и совершенно очевидно, что она раздвигает стенки трещины и увеличивает объем щели в ширину и в глубину. Главное и единственное свойство жидкости, которое только и способно увеличить трещину, – это силовое увеличение объема жидкости при соприкосновении ее со стенками в период проникновения в острие трещины. Но это может происходить только при разуплотнении жидкости, т. е. как бы вскипании в этот момент. Б.В. Дерягин нигде не упоминает об разуплотненном состоянии поверхностного слоя жидкости, а, наоборот, отмечает его большую плотность по сравнению с объемной водой .

Попробуем представить себе действие структурной составляющей (в его понимании) расклинивающего давления, обусловленного, как он считает, ориентировкой дипольных молекул воды в контакте с твердыми поверхностями. Вода, проникая в острие трещины и касаясь ее стенок, приобретает ориентированную структуру молекул. Можно сказать, что молекулы из хаотически беспорядочного состояния перешли в состояние какой-либо жесткой упругой структурной сетки, которая «напружинилась» и начала упираться в стенки трещины. Но раздвинуть их она может только в составе той жидкости, которая вошла в острие, а для этого необходимо увеличение объема самой жидкости. Этого можно достигнуть только дополнительным подсасыванием воды из свободного объема трещины или разуплотнением в ее острие самой жидкости. Но ни то, ни другое напружинившаяся сетка структурно упорядоченных молекул воды сделать не может, по крайней мере, никто, в том числе и сам Б.В. Дерягин, в истории науки такого варианта не обосновывал. Также не в состоянии этого сделать и остальные составляющие расклинивающего давления Дерягина – электростатическая, дисперсионная и адсорбционная .

Значит, приходится прийти к выводу, что расклинивающее давление Дерягина не способно ничего самостоятельно расклинить. По существу, Б.В. Дерягин сам признал это, когда сказал, что «расклинивающее давление, действуя на стенки трещины подобно колуну при колке дров, также способно облегчить износ поверхности твердого тела» (Дерягин, 1963, с. 221). Как известно, сам по себе колун не способен раскалывать дрова. Для этого его необходимо с силой вогнать в трещину. Поэтому, чтобы расширить микротрещину, воду (т. е. «колун») необходимо или вгонять в нее какой-либо силой, например, силой капиллярного подъема или действия поверхностно-активных веществ, или же с силой ее разуплотнить. Первые два варианта не являются составной частью расклинивающего давления как такового, а последний вариант Дерягиным не рассматривался .

Таким образом, вышеприведенный простой анализ действия расклинивающего давления воды при расширении микротрещины приводит к заключению, что единственным способом, которым она может это сделать, является разуплотнение воды в момент касания его стенок при проникновении в острие трещины. Но это значит, что ее существование в разуплотненном состоянии в контакте с твердыми поверхностями должно являться обычным состоянием, так же как в контакте с газообразной средой .

По существу, опыты по раздвиганию водой микротрещины являются экспериментальным подтверждением разуплотненного состояния поверхностного слоя воды в контакте с твердыми поверхностями. Как мной отмечалось выше, вода действует при раздвигании микротрещин не как колун, а как земляной червь. Сначала он острием своей головной части проникает в трещинку в почве или делает углубление в ней. Затем силой своих мышц он утолщает головную часть и этим раздвигает трещину, затем дальше проникает острием головной части – и так продвигается. Иными словами, расширение головной части является непременным условием его землеройного искусства. А если бы он действовал как колун, то для проникновения в землю ему не хватило бы его сил .

Из этого следует, что Т-СРПС является той единственной силой, которая, создавая разуплотнение поверхностного слоя, создает также и давление при раздвигании микротрещин жидкостью при проникновении в их острие. Она является новым родом сил, о котором Б.В. Дерягин не упоминал .

Эта сила проявляется и при действии собственно расклинивающего давления Дерягина в процессе сдавливания поверхностного слоя в поперечном направлении газовым пузырьком, или сближающимися частичками коллоидов, или ликвационными капельками жидкости. Только здесь эта сила сопротивляется разрыву поверхностного слоя с силой, близкой силе поверхностного натяжения, если слой сдавливать вдоль узкой линии контакта между двумя твердыми частичками, т. е. как бы линии рассечения поверхностного слоя, подобно разрезанию ножом или ножницами. Для этого достаточно преодолеть действие только незначительной части Т-СРПС, сосредоточенной вдоль узкой линии разрыва или разреза. Полностью же Т-СРПС действует по всей площади поверхностного слоя, и ее силы неизмеримо больше тех, которые необходимы, чтобы рассечь поверхностный слой вдоль узкой линии .

Это можно, например, сравнить с попыткой разорвать натянутую бельевую веревку: или разрезав ее острой бритвой, или пережав тисками. Характер действия в обоих случаях одинаков – на сжатие, но сила различается. В первом случае достаточно слабого движения руки с бритвой, а во втором надо приложить усилие в несколько сотен килограммов на 1 см2. Слабое движение руки – это аналог расклинивающего давления Дерягина, хотя в целом по площади необходимо усилие, создаваемое тисками – Т-СРПС .

Значит, по существу, расклинивающее давление Дерягина – это крайний случай минимального действия Т-СРПС вдоль узкой линии разрыва или перпендикулярного сдавливания поверхностного слоя. Его следует определять как минимальную часть Т-СРПС, противодействующую разрыву поверхностного слоя при его сжатии в поперечном направлении .

Расклинивающее давление проявляется, как отмечал Б.В. Дерягин, при перекрытии поверхностных слоев жидкости, окружающих какие-либо сближающиеся частички вещества (твердого, жидкого или газообразного). Он считал, что в момент перекрытия начинают действовать все выделенные им четыре составляющие расклинивающего давления .

В целом следует сказать, что в самом начале своих исследований Б.В.Дерягин начинал изучать экспериментально Т-СРПС в моем понимании и назвал ее термином «расклинивающее давление», но затем полностью переключился на экспериментальное и теоретическое исследование ее как силы противодействующей разрыву поверхностного слоя воды в поперечном направлении и распространил свое название и на эту часть силы. В этом, по моему мнению, заключается его ошибка. Он изучил только самую незначительную часть действия Т-СРПС и, во-первых, не выявил самого явления как огромной по величине силы, а во-вторых, не установил его молекулярно-кинетическую природу как силы, которая создается в результате разуплотнения поверхностного слоя. Он расклинивающее давление никоим образом не связывал с разуплотнением слоя и даже, наоборот, считал этот слой более плотным, чем глубинная масса воды. Вследствие этой причины им совершенно не изучена осмотическая составляющая силы – О-СРПС, так как ее трудно связать с расклинивающим давлением в его понимании. Поэтому все авторство в открытии и разработке СРПС принадлежит мне, тем более, что начинал я свои исследования независимо от Б.В. Дерягина в другой области наук – геологии, пытаясь объяснить причину поддержания проницаемости горных пород в земной коре и вначале не зная его работ. Это можно видеть из моего научного дневника, где отражен весь ход размышления над этой проблемой. Однако, представления Б.В. Дерягина существенно помогли мне в совершенствовании идеи об СРПС. Термин «расклинивающее давление», принятый Б.В. Дерягиным, целесообразно сохранить и назвать его именем, но понимать его только как часть Т-СРПС, сопротивляющуюся сдавливанию поверхностного слоя воды в поперечном направлении, как это показано выше. Следовательно, механизм действия расклинивающего давления также отличается от того, который предлагался этим исследователем .

Я предлагаю иное объяснение его расклинивающего давления на основе действия Т-СРПС. Представим себе, что произойдет с каплей воды, если ее постепенно сжимать между двумя пластинками стекла. Капля будет все более уплощаться по вертикали и увеличиваться по площади по латерали, при этом площадь ее поверхностного слоя будет все время увеличиваться. Но действие Т-СРПС приведет также к возникновению новых участков этого разуплотненного слоя, а, значит, и к увеличению общего его объема. Следовательно, при этом общий объем капли возрастет на величину, равную произведению толщины поверхностного слоя на прирост его площади, образовавшейся в результате сдавливания капли. Это увеличение будет создавать противодавление на силу, сжимающую каплю. Действие Т-СРПС мгновенно и, казалось бы, это давление уже на самом начальном этапе сжатия должно противодействовать сжатию пластинок. Но дело в том, что давление Т-СРПС гидростатическое и в одинаковой мере действует как на поверхности пластинок, так и на глубинные слои капли, которые с боков капли контактируют с воздушной средой. Поскольку в сторону воздушной среды давление передается легко и вода может свободно увеличивать в эту сторону часть объема, то в целом сначала капля не будет противодействовать сближению пластинок .

Такое свободное истечение жидкости с боков капли и ее уплощение не может длиться бесконечно. По мере сближения поверхностей пластинок, во-первых, увеличивается площадь поверхности капли со стороны пластинок и, значит, возрастает сила ее противодавления, создаваемая действием Т-СРПС. Во-вторых, по мере сжатия стремительно ускоряется увеличение площади поверхности капли со стороны пластинок, так как сама площадь сжатия уже очень большая. В-третьих, и это самое главное, увеличивается инерционность массы свободной жидкости, которая должна вытекать из промежутка между поверхностными слоями капли, так как толщина этого промежутка уменьшается, а его площадь по латерали возрастает. Поскольку Т-СРПС действует мгновенно со скоростью взрыва, то этому взрыву все труднее и труднее выдавить свободную жидкость из промежутка между двумя сближающимися поверхностными слоями воды .

Вследствие данных причин по мере сближения поверхностей пластинок при какой-то минимальной толщине водной прослойки между ними общая сила противодействия указанных факторов сближению поверхностей настолько возрастет, что она становится больше силы сдавливания пластинок, и это сдавливание останавливается словно перед препятствием. Силой, противодействующей сдавливанию по всей площади водной прослойки, является Т-СРПС. Но если прослойку в каком либо участке пережать выпуклым или острым выступом на пластинках, то пленка здесь также будет сопротивляться сжатию, но весьма слабо – с силой расклинивающего давления Дерягина .

В заключение этого раздела, где было много ссылок на Б.В.Дерягина, я хочу отметить, что хотя мной высказываются критические замечания по ряду его теоретических представлений о поверхностном слое веществ и обращается внимание на некоторые его ошибки, но следует признать огромную роль этого выдающегося ученого в исследованиях этого слоя. Он впервые в мировой науке выдвинул и разработал идею об особых свойствах слоя и в первую очередь о действии в нем расклинивающего давления. Разработанное мною представление о СРПС, предполагает рассмотрение его идей под новым углом зрения и оно является качественно новой ступенью их развития, в первую очередь в области молекулярной кинетики данных процессов. Представленная мною сила разуплотнения поверхностного слоя веществ принципиально отличается от расклинивающего давления Дерягина по механизму своего действия и величине, поэтому она является новым неизвестным науке молекулярнокинетическим родом сил, в котором давление Дерягина есть только один из вариантов ее действия .

Иными словами, если Т-СРПС, обладая силой температурного расширения веществ, способна взламывать бетонные плиты или асфальт, то расклинивающее давление Дерягина является незначительной частью этой силы, способной только сопротивляться соединению двух коллоидных частичек в воде или слиянию двух капелек жира в тарелке с супом .

Повышенная вязкость поверхностного слоя Экспериментальное определение вязкости жидкостей осуществлялось Б.В. Дерягиным и др .

(1935). Для нелетучих жидкостей эксперименты проводились методом сдувания поверхностных пленок. С этой целью слой жидкости толщиной 10 мкм наносился на одну из стенок плоскопараллельной щели высотой 0,2 мм. Направляя через эту щель равномерный поток газа, вызывали послойное течение пленки жидкости, принимавшей во время сдувания форму все более пологого клина. В случае постоянства вязкости, т. е. отсутствия специфичной граничной вязкости, слой жидкости после сдувания приобретает форму клина, ограниченного сверху наклонной плоскостью. При наличии слоя с повышенной вязкостью эта наклонная плоскость будет иметь изгиб, как бы ступеньку в месте контакта с объемной жидкостью. Опыты показали, что подавляющее большинство исследованных жидкостей имеют такой изгиб, свидетельствующий о повышенной вязкости поверхностного слоя .

Для воды как относительно летучей жидкости метод сдувания был непригоден. Поэтому опыты проводились путем изучения скорости ее фильтрации вдоль пор и капилляров и сравнения с условиями фильтрации других жидкостей. Показано, что средняя вязкость поверхностного слоя воды в 1,5–2 раза превышает вязкость глубинных слоев. Повышенная вязкость установлена также для тонких незамерзающих прослоек воды между льдом и твердой поверхностью. Она определялась методом сдвига столбиков льда в цилиндрических капиллярах и сравнения с вязкостью переохлажденной воды при той же температуре .

Трение и сверхтекучесть жидкостей в контакте с твердыми веществами В данном разделе речь пойдет о создании механизма трения твердых тел в контакте с жидкостями. Сначала рассмотрим механизм создания трения в жидкостях .

Существование трения между поверхностным слоем жидкостей и твердыми стенками хорошо известно. Оно проявляется в виде своего рода прилипания поверхностных молекул к стенке, в результате чего происходит торможение течения прилегающего к стенке тонкого слоя жидкости (Шлихтинг, 1974). В этом тонком слое скорость течения ламинарного потока возрастает от нуля на стенке (прилипание) до максимального значения во внешнем потоке, где жидкость можно рассматривать как текущую без трения. Поэтому здесь ламинарный поток сменяется завихрениями жидкости, становясь турбулентным. Этот слой, следуя Прадтлю, называют пограничным. Его толщина достигает нескольких миллиметров .

Все прилипание жидкости осуществляется в поверхностном слое, толщина которого не превышает нескольких нанометров .

С точки зрения вышеотмеченных представлений о существовании разуплотненного слоя, который создают молекулы в процессе отталкивания от стенок, кажется невозможным объяснить такое «прилипание». Но это только на первый взгляд. Рассмотрим детальнее, как поверхностный слой жидкости реагирует на движение вдоль стенки .

Во-первых, Б.В. Дерягин (1986) экспериментально показал, что поверхностный слой обладает повышенной вязкостью. По моему мнению, эта вязкость обусловлена разуплотненным состоянием молекул, когда они находятся в ситуации реально действующего притяжения друг к другу ван-дерваальсовыми силами. Они отличаются от глубинных молекул, так же как надутый воздушный шарик отличается от ненадутого .

Во-вторых, самая низкая концентрация молекул жидкости существует в непосредственной границе с твердой стенкой. Казалось бы, это совсем противоречит прилипанию к ней молекул. Однако здесь, как показано выше на примере газов, здесь хотя и пониженная концентрация молекул, но количество соударений каждой молекулы о стенку и друг о друга такое же, как и в глубине жидкости .

Здесь резко возрастает относительная доля соударения каждой молекулы со стенкой за счет снижения доли соударений с соседними молекулами, причем тем больше, чем ближе к стенке. Несмотря на меньшее количество молекул, количество ударов молекул в направлении стенки такое же, как одновременное количество ударов в каком-либо одном направлении в глубине жидкости. Молекулы, ударяясь, быстрее уходят от стенки, оставляя более разуплотненное пространство. Поэтому общее гидростатическое давление жидкости у стенки и в глубине одинаково .

В-третьих, необходимо представить себе, что происходит, когда молекулы ударяются о стенку в составе слоя, обладающего повышенной вязкостью. Каждый удар молекулы о стенку – это кратковременное давление на нее и мгновение короткой связи между стенкой и поверхностным слоем. Иначе говоря, в это мгновение стенка и жидкость как бы зафиксировали мгновенную остановку в продольном движении относительно друг друга. Молекула в момент удара находится в прямом контакте со стенкой и, значит, как бы прилипает к ней. В то же время эта молекула является составной частью вязкого поверхностного слоя, в котором ее движение вдоль слоя затруднено вследствие повышенной вязкости. Поэтому в момент удара каждая молекула создает усилие, тормозящее общее течение жидкости вдоль стенки, а удары всех молекул создают общее торможение .

Это можно образно представить себе следующим образом. Если группа людей, плывущая на лодке вдоль крутого обрывистого берега, пытается оттолкнуться от него шестами, то это простое отталкивание не будет ни задерживать, ни тормозить движение лодки вдоль берега. Но попробуйте представить себе, что люди отталкиваются шестами так, чтобы движение шестов было жестко зафиксировано только строго перпендикулярно берегу и не отклонялось в каком-либо диагональном направлении. Это можно сделать, если шесты пропустить сквозь отверстия в какой-либо толстой деревянной перегородке на лодке так, чтобы они двигались только перпендикулярно этой перегородке и берегу. В этом случае шесты всякий раз сцепляются с берегом, царапают его, тормозят лодку. Если одновременно несколько таких шестов воткнуть в берег, то движение лодки может быть полностью остановлено .

Если, например, эту перегородку с отверстиями сделать не из дерева, а из более гибкого материала, например резины, то втыкание всех шестов в берег не остановит лодку, а только затормозит ее, так как шесты некоторое время еще будут отклоняться по диагонали за счет гибкости резины. Это как раз случай, близкий действию тормозящего влияния ударов молекул в поверхностном слое воды, который, имея определенную вязкость, но не абсолютную твердость, только несколько тормозит движение жидкости вдоль стенки. Удары молекул о стенку – это аналог втыкания шестов в берег с лодки, плывущей вдоль берега с условием постоянного удержания шестов в положении, близком к нормали .

Возникает вопрос, какова же роль твердой стенки в создании трения?

Совершенно очевидно, что лодка с жестко зафиксированными шестами будет двигаться и отталкиваться от берега, если шесты сцепляются с берегом, т. е. сила сцепления в виде неровностей, бугорков, берегового склона препятствует скольжению шестов в продольном направлении. Вот такими неровностями и бугорками на поверхности твердой стенки служат «шипы», которые создаются в процессе колебательного отклонения атомов от узлов кристаллической решетки. Если бы их не было, то молекулы жидкости в процессе тепловых скачков зеркально отражались бы от идеально гладкой поверхности, какого-либо зацепления с ней, т. е. не изменяя продольной составляющей скорости движения. Однако соударение с неровной «шипованной» поверхностью стенки заставляет молекулы жидкости тормозить свое тангенциальное продвижение вдоль стенки, как бы прилипать к ней, и этим создавать общее трение жидкости при ее течении около твердой поверхности .

Однако имеется случай, когда жидкости не имеют трения с твердыми поверхностями, т. е. обладает сверхтекучестью. Это установлено для жидкого гелия при сверхнизких температурах П.Л. Капицей в 1938 г. (Капица, 1944). За открытие этого эффекта и создание его теории П.Л. Капица и Л.Д. Ландау были в 1978 г.удостоены Нобелевской премии по физике. Практически она проявляется, например, в том, что если на дно стакана налить жидкий гелий при температуре его сверхтекучести, то он через некоторое время поднимется тонким слоем вдоль внутренних стенок и выльется из стакана. Или наоборот, если поставить стакан на поверхность жидкого гелия, то он вдоль внешних стенок поднимется и перельется в стакан. В нем полностью отсутствует трение, что проявляется, например, в том, что если струю жидкого гелия направить на монету, стоящую торцом на ровной поверхности, то она даже не шелохнется, настолько легко она обтекается сверхтекучей жидкостью без трения .

Для объяснения сверхтекучести жидкого гелия Капицей и Ландау была применена идея двухжидкостной модели (см. Матвеев, 1989). Атомы гелия имеют целый спин и, следовательно, подчиняются статистике Бозе – Эйнштейна. Вследствие этого они могут в любом количестве находится в одном и том же квантовом состоянии, в том числе и в состоянии с минимальной энергией. Их сосредоточение на низшем энергетическом уровне называется Бозе-конденсацией. Следующий более высокий уровень расположен на некотором расстоянии от низшего. Расстояние между ними называется энергетической щелью. Если энергетическая щель такова, что атомы в Бозе-конденсате при движении не могут получить порцию энергии больше ширины энергетической щели, то они двигаются без изменения энергии, т. е. без трения. Благодаря этому они составляют сверхтекучую компоненту в двухжидкостной модели сверхтекучести .

Мое объяснение сверхтекучести жидкого гелия на основе действия Т-СРПС иное и чрезвычайно простое. При сверхнизких температурах полностью прекращаются тепловые флюктуационные скачки молекул жидкости и поэтому исчезают Т-СРПС и создаваемый ею разуплотненный поверхностный слой с повышенной вязкостью. Поэтому в контакте жидкости с твердыми телами полностью отсутствует трение, которое, как отмечалось выше, создается этим поверхностным слоем. В связи с исчезновением разуплотнения в поверхностном слое молекулы гелия уже не отталкиваются от твердых стенок сосуда и находятся в непосредственной близости к ним и, значит, сильнее притягиваются вандер-ваальсовыми силами. Это усиливает гидрофильность поверхности, причем настолько, что жидкий гелий растекается по стенкам сосуда, преодолевая собственный вес, и поднимается по стенкам сосуда, переливаясь через них .

Поверхность твердого тела также вносит свой вклад в создание сверхтекучести, так как при сверхнизких температурах колебания атомов в ней почти прекращается и «шипы» исчезают, создавая гладкую поверхность для скольжения молекул жидкости и не препятствуя их латеральному движению .

Поэтому Т-СРПС предохраняет от сверхтекучести при обычных температурах все существующие на Земле жидкости, и только когда эта сила исчезает при сверхнизких температурах, эта сверхтекучесть проявляется в жидком гелии .

2.1.4.6. Явления гидрофильности и гидрофобности поверхностей Проявление расклинивающих свойств Т-СРПС можно проанализировать на примере двух сближающихся в воде частиц (коллоидных, золей, органических молекул, биологических клеток и т. д.) с гидрофильными или гидрофобными поверхностями. Первые легко смачиваются водой, которая свободно растекается по их поверхности, а вторые – не смачиваются. В первом случае смачивание объясняется относительно большей силой притяжения молекул воды к твердой поверхности, чем во втором случае. Чем сильнее молекулы притягиваются к поверхности, тем большее усилие им необходимо приложить для создания разуплотнения в поверхностном слое, и значит, это ведет к созданию слоя с меньшей степенью разуплотнения. Следовательно, здесь в пределах поверхностного слоя молекулы находятся на довольно близких расстояниях друг от друга и от поверхности плотной жидкости и ван-дер-ваальсовы силы притяжения между ними, в соответствии с потенциалом Леннарда – Джонса, действуют сильнее. Поэтому данный слой труднее разорвать, и соответственно частицы при сближении и контакте не смогут соединиться, демонстрируя этим устойчивость коллоидных и других частичек к слипанию и коагуляции .

Поверхностные слои воды слабее притягиваются к гидрофобным поверхностям, и значит, разуплотнение их будет больше. В соответствии с этим молекулы будут находиться на большем удалении друг от друга, ослабляя силы притяжения друг к другу и к нижней границе слоя, т. е. уменьшая поверхностное натяжение, также как, например, это происходит при повышении температуры. Значит, поверхностное натяжение пленки зажатой между двумя гидрофобными поверхностями будет меньше, чем между гидрофильными поверхностями. Поэтому при сдавливании поверхностных слоев в момент соударения сближающихся частиц эти слои легче разорвутся и частицы соединятся. Т-СРПС, проявляющаяся здесь в виде расклинивающего давления Дерягина, сопротивляется сдавливанию с меньшей силой, так как часть этой силы затрачена на создание большего разуплотнения молекул в слое. Следует отметить, что раньше я (Шабалин, 2001) ошибочно предполагал, что поверхностный слой в контакте с гидрофобными поверхностями является более плотным, чем в контакте с гидрофильными .

Особенно важное значение гидрофильность и гидрофобность имеет для биологических молекул .

Каждая из них представляет длинную цепочку атомов, в которой чередуются гидрофильные и гидрофобные участки. Благодаря этому чередованию молекулы приобретают способность свертываться с образованием определенных конформаций в виде клубков, одиночных и двойных спиралей и т. д. Считается, что одним из важнейших факторов, направляющих свертывание биологических молекул, и в первую очередь белков, является расположение гидрофильных и гидрофобных групп атомов. Многочисленные гидрофобные группы стремятся собраться внутри белковой молекулы, что позволяет им избежать контакта с водным окружением, в то время как все гидрофильные группы, наоборот, стремятся расположиться на поверхности молекулы белка, где могут контактировать с водой. Таким образом происходит спаривание почти всех гидрофобных групп, оказывающихся внутри белковой глобулы. Поэтому после такого сворачивания каждая разновидность белковой молекулы в зависимости от состава и чередования аминокислот в ее полипептидной цепи образует строго индивидуальную форму, так же строго, как для каждого неорганического вещества характерна своя форма кристаллов .

Механизм связывания гидрофобных участков цепи, по моим представлениям, осуществляется следующим образом (рис. 40). Как отмечено выше, тонкая пленка жидкости, разделяющая две гидрофобные поверхности менее прочна на разрыв, чем пленка разделяющая две гидрофильные поверхности .

Рис. 40. Механизм соединения гидрофобных (неполярных) участков двух органических молекул при их сближении в водной среде: а – до начала сближения;

б – после сближения и соединения 1 – гидрофобные участки; 2 – гидрофильные участки; 3 – водная прослойка между сближающимися молекулами. F1 – сила притяжения молекул воды в сторону гидрофильных участков поверхности молекулы; F2 – то же в сторону гидрофобных участков, причем F1F2; F3 – гидравлическая сила отсасывания молекул воды из интерстиций между гидрофобными участками в сторону интерстиций между гидрофильными участками молекул за счет F1F2; F4 – гидравлическая сила выдавливания молекул воды из интерстиций между гидрофобными участками за счет кинетической силы сближения поверхностей молекул, способствующая разрыву водной пленки за счет доведения ее до предела прочности на разрыв; F5 – гидравлическая сила, препятствующая сближению гидрофильных участков поверхности молекул за счет F1F2; F6 – сила, заставляющая сближаться гидрофобные поверхности молекул после гидравлического разрыва разделяющей их водной пленки Кроме того, на границе между гидрофильными и гидрофобными участками на каждую молекулу воды со стороны твердой поверхности действуют силы притяжения одновременно из гидрофобных и гидрофильных участков (F1 и F2); со стороны гидрофильного участка притяжение сильнее, поскольку это свойство такой поверхности. Поэтому каждая молекула стремится сместиться в сторону этого участка (F1F2). Так как поверхностные слои жидкости и каждый в отдельности, и в соединении друг с другом представляют собой, по существу, единое упругое тело, возникает сила, дополнительно растягивающая пленку жидкости из участков между гидрофобными поверхностями в сторону участков с гидрофильными поверхностями .

Вследствие этого при сближении белковых молекул возникающие силы механического растягивания пленки за счет вытекания жидкости из зазора между ними быстрее достигают предела прочности на разрыв пленки (расклинивающего давления Дерягина) именно сначала в промежутке между гидрофобными поверхностями молекул. После разрыва в этом участке пленки и соединения гидрофобных участков жидкость с силой стремится отсасываться в сторону гидрофильных участков контактов, зазор между которыми здесь дополнительно увеличивается за счет гидравлического притока жидкости. Это силовое притяжение жидкости в сторону гидрофильных участков заставляет и гидрофобные поверхности с таким же усилием удерживаться соединенными, поскольку притяжение воды в сторону гидрофильных поверхностей действует как отсасывающий насос .

Следовательно, совместное расположение гидрофильных и гидрофобных участков на поверхности молекул действует как своеобразная присоска, позволяющая гидрофобным участкам легко соединяться и с определенной силой удерживаться вместе 2.1.4.7. Экспериментальное определение Т-СРПС воды Известно, что экспериментальное определение только плотности воды в контакте с твердыми веществами очень сложно и нередко дает противоречивые результаты, а для газов и твердых веществ еще вообще не проводилось. Это обусловлено очень незначительной толщиной поверхностного слоя .

Еще сложнее проведение экспериментов по определению величины самой Т-СРПС. Следует обратить внимание на то, что эта сила проявляется, когда система является открытой, т. е. Т-СРПС возникает только в период движения веществ, когда, например, вода проникает в самую узкую новообразующуюся часть микротрещины при увеличении ее длины. При этом вода, разуплотняясь за счет действия Т-СРПС, создает давление на стенки трещины, но одновременно создает гидравлическое давление и на всю жидкость в трещине, заставляя ее выдавливаться оттуда. Поэтому, чтобы определить истинную величину Т-СРПС, необходимо знать ее давление на обе эти среды .

Это сходно с определением силы давления порохового заряда в огнепроводном бикфордовом шнуре. Если поджечь этот заряд с одного края шнура, то взрывная сила горения пороха не разорвет даже мягкой водонепроницаемой оболочки шнура, хотя, как известно, эта сила при выстреле из автомата чрезвычайно велика. Причина этого в том, что часть взрывной силы пороха уходит в пустое пространство уже выгоревшей части шнура, и поэтому давление на оболочку относительно слабое .

Чтобы определить истинную силу давления порохового заряда, надо поместить его в закрытый сосуд и поджечь электрической или ударной искрой (детонатор) изнутри в этом сосуде. В самом же бикфордовом шнуре эту силу можно определить только расчетным способом, учитывая давление на стенки шнура и скорость истечения газов в пустое пространство .

Определение величины Т-СРПС тоже можно выполнить только методом расчетов, так как давление на стенки трещин является ее частью, причем в ряде случаев не самой большой. Вторая часть силы, направленная на выдавливание жидкости из трещины, зависит от множества причин, конкретное определение которых как единой силы весьма затруднено. Такими причинами являются скорость действия самой Т-СРПС, площадь поперечного сечения трещины, количество жидкости, содержащейся в трещине, скорость возникновения новых участков трещины и скорость попадания в них воды, температура, общее гидростатическое давление и т. д. Каждый из этих факторов по-разному влияет на проявление ТСРПС, раздвигающей трещину. Например, чем быстрее действует Т-СРПС, тем сильнее ее воздействие на стенки трещины. Так, мгновенный взрыв порохового заряда может разорвать твердое вещество вдоль трещины, а медленное истечение газов не окажет никакого давления на стенки .

Подобным образом действует скорость попадания воды в новообразующиеся участки трещин. Если это происходит мгновенно, то Т-СРПС сразу вдоль всей широкой поверхности будет создавать давление на стенки и с большой силой, как взрыв, раздвигать их. А если жидкость медленно втекает в острие трещины, то Т-СРПС возникает и действует только в самых узких краевых частях наступающего фронта жидкости и создает последовательное ничтожное давление на стенки, так как площадь этих краевых фронтов очень небольшая; кроме того, давление разуплотняющейся жидкости будет мгновенно передаваться в пустое воздушное пространство острия трещины и здесь гаснуть .

Количество жидкости в микротрещине имеет значение как масса вещества, которая закупоривает микротрещину при «взрыве» Т-СРПС. Чем больше эта масса, тем более она инерционна, и значит, «взрыв» Т-СРПС передается на стенки микротрещины с большей силой, чем сама эта жидкость выдавливается из нее.

Это аналогично тому, как общий вес ружья влияет на его отдачу при выстреле:

чем больше масса ружья, тем меньше отдача и больше сила выстрела .

Площадь поперечного сечения трещины имеет значение для скорости истечения жидкости из нее при действии Т-СРПС. Совершенно очевидно, что, чем она больше, тем легче жидкость выдавливается из трещины и тем меньшее давление она создает на стенки трещины .

Температура сказывается в самой силе проявления Т-СРПС, которая увеличивается с ее возрастанием .

Таким образом, прямое экспериментальное определение максимальной величины Т-СРПС при проникновении воды в микротрещины практически провести очень сложно, так как она действует в условиях открытой системы, а косвенное определение с использованием расчетных математических методов связано с большими трудностями в определении конкретных параметров. Этим вопросам в будущем должны быть посвящены специальные исследования .

Однако все же составить представление о величине Т-СРПС можно, если производить эксперименты по сдавливанию поверхностного слоя воды между двумя твердыми параллельными пластинами. Если при сдавливании между выпуклыми поверхностями, и в частности между двумя частицами коллоидов или золей, поверхностные слои сопротивляются очень слабо (с силой расклинивающего давления Дерягина) так как в этом случае это давление действует на разрыв слоев или на их «разрубание» вдоль узкой линии разрыва, то между параллельными пластинками сдавливанию сопротивляется не эта узкая часть разрыва, а вся широкая площадь поверхностных слоев. Значит, усилие, прилагаемое, чтобы раздавить эти слои, возрастает во столько же раз, во сколько раз площадь сдавливающих пластин больше площади разрыва. Совершенно очевидно, что силы, необходимые для этого, возрастут на много порядков. Каждый может убедиться в том, что выдавить пленку воды из промежутка между стеклянными пластинками обычными способами, по крайней мере усилием человека, невозможно. Исследователями установлено, что полное отжимание воды, например из глинистых пород, возможно только при давлениях около 50000 кг/см2 (Крюков, 1971). И наоборот, чем меньше площадь сдавливания пластинок, тем больше возрастает вероятность выдавливания; наконец, это легко сделать, сдавив воду острым краем осколка стекла .

В целом можно сказать, что Т-СРПС в принципе, обладая большой силой температурного расширения, реально в природе может проявлять в ряде случаев только часть этой силы в зависимости от множества факторов уменьшающих ее действие .

Действие Т-СРПС и ее величину можно подтвердить двумя проведенными мною экспериментами .

Первый эксперимент проведен по определению Т-СРПС, проявляющейся в виде силы разбухания в воде обыкновенного гороха. Установка для такого эксперимента показана на рис. 41. Здесь на фото 1 показано самое начало эксперимента, когда горох только что засыпан в трубку слоем толщиной 3 см и только что залит водой, но пока еще не разбухает, что фиксируется отсутствием между двумя белыми полосками какого либо просвета в виде черной полосы. На фото 2 разбухший в трубке горох через сутки поднял шток и деревянную площадку на нем на высоту 14 мм – таков просвет заметен между белыми полосками. Вес штока и площадки около 1,5 кг. Значит, такой вес было поднят силой разбухшего гороха. На фото 3 разбухший горох через сутки поднял на площадке один кирпич весом 3 кг, т. е. суммарно вес – 4,5 кг на высоту 8 мм. На фото 4, 5, 6 разбухший горох поднял соответственно 2, 4 и 6 кирпичей весом 6, 12 и 18 кг. Величина подъема, фиксируемая шириной просвета между двумя белыми полосками, уменьшается соответственно – 5, 3, 1 мм, но она постоянно наблюдается, что свидетельствует о действии силы разбухания гороха, преодолевающей вес все более и более тяжелого груза. Диаметр штока равен 2 см, значит в соответствии с формулой площади круга R2 = 3,14х12 = 3,14 см2. Следовательно, давление, создаваемое разбухшим горохом на 1 квадратный сантиметр площади подвижного штока при подъеме груза в 6 кирпичей – 18 кг составляет около 6 кг .

Кажется, что эта величина не впечатляет. Но если такой горох рассыпать на площади 1 м2, т. е .

100 100 см, что равно 10000 см2 и затем умножить это число на 6 кг, то получится 60000 кг, т. е .

60 т. Это значит, что разбухающий в воде горох на площадке размером всего лишь 1 м2 способен приподнять 4 полностью груженых автомобиля КамАЗ по 15 т каждый. Эта цифра уже весьма Рис.41. Эксперимент по определению ТСРПС, проявляющейся в виде силы разбухания в воде гороха, насыпанного в металлическую запаянную снизу трубку (нижняя часть металлического столбика), сжимаемого в этой трубке подвижным металлическим штоком (верхняя часть столбика) с площадкой на верху этого штока для установки на ней груза, в данном случае кирпичей. Из двух белых полосок на столбике – нижняя – это верхний неподвижный край трубки, а верхняя полоска, прикрепленная к подвижному штоку, фиксирует величину подъема штока с грузом при разбухании гороха .

–  –  –

2.1.5. Теоретическое обоснование Т-СРПС твердых веществ 2.1.5.1. Особенности теплового движения атомов на поверхности По поверхности твердого тела имеется ряд обобщающих научных работ (Моррисон, 1980; Зенгуил, 1990; Репинской, 1993; Киселев и др., 1999; Праттон, 2000; Лифшиц и др., 2003). Мной на основании вышеизложенных представлений об СРПС под новым углом зрения рассматривается целый ряд поверхностных явлений .

Когда в твердом теле появляется трещина, на поверхности мгновенно оказываются глубинные атомы из объема кристаллической решетки. На поверхности они также совершают тепловые колебания, в том числе и флюктуационные с высокой энергией. Поскольку на поверхности открывается свободное пространство в сторону газовой среды для колебаний, то атомы более свободно совершают колебательные отклонения в эту сторону с той амплитудой, с которой им это позволяет их кинетическая энергия .

Одними из первых на роль тепловых колебаний поверхностных атомов кристаллической решетки обратили специалисты по спеканию порошков и обжигу кирпичей. В частности, Линдеман в 1910 г. высказал предположение, являющееся сейчас общепризнанным, что плавление кристаллов начинается с поверхности, так как здесь среднеквадратичные смещения атомов при колебаниях больше, чем в глубине вещества. Более детальные экспериментальные и теоретические исследования вопроса по амплитуде колебаний атомов проведены специалистами по полупроводникам (см. Марадудин, 1968) .

Для экспериментов использовался так называемый метод дифракции медленных электронов – ДМЭ .

В этих экспериментах исследования характера отражения от поверхности пучка электронов непосредственно измеряется величина среднего квадрата атомных смещений при тепловых колебаниях, поскольку эти колебания уменьшают интенсивность отраженного луча в соответствии с так называемым фактором Дебая – Валлера. Медленные электроны, т. е. электроны с минимальной энергией движения, при дифракции не проникают глубоко в вещество и отражаются только от его поверхностного слоя, тогда как луч быстрых электронов или рентгеновских лучей проникает глубоко в вещество и, отражаясь, характеризует его глубинные свойства. Поэтому сравнение данных рентгеновской дифракции или отражения быстрых электронов с дифракцией медленных электронов для той же системы позволяет определить отношения амплитуд тепловых колебаний атома на поверхности и в объеме твердого тела. Информацию обычно представляют как «поверхностную температуру Дебая» .

Впервые различие динамических свойств поверхностных атомов и атомов, расположенных в глубине кристалла, методом ДМЭ продемонстрировали эксперименты С.Г. Калашникова и др. (1939) на примере серебра. Показано, что амплитуда колебания атомов серебра на поверхности больше, чем в глубине вещества. Позднее это подтверждено теоретическими расчетами (Калашников, 1943). Затем Менцель и др. в 1956 г. экспериментально доказали для меди, что средние квадраты амплитуды колебания атомов на поверхности больше, чем для атомов в глубине кристалла. Макрае и Гермер в 1962 г .

показали это на примере монокристаллов никеля. Джонс, Маккини и Вебб в 1966 г. исследовали методом ДМЭ монокристаллы серебра и показали, что средние квадраты амплитуды колебаний атомов параллельных и перпендикулярных свободной поверхности равны между собой и почти в 2 раза больше средних квадратов амплитуд колебания атомов, находящихся в объеме кристалла. Кроме того, показано, что по мере проникновения в глубь кристалла средний квадрат амплитуды экспоненциально уменьшается и стремится к своему объемному значению. Макрае в 1964 г. измерил по никелю анизотропию среднего квадрата амплитуды поверхностных атомов, т. е. различие амплитуды колебаний в направлении параллельном и перпендикулярном поверхности .

Б.А. Нестеренко и др. (1983, 1990) с помощью ДМЭ провели опыты на большом количестве различных полупроводников, которые позволили установить: 1) среднеквадратичное смещение атомов при тепловых колебаниях на поверхности в 2–8 раз превышает их смещение в объеме; 2) на поверхности колебания, перпендикулярные ей имеют большую амплитуду, чем колебания в плоскости поверхности. Л.Н. Бабанская и др. (1983) экспериментально установили, что для различных граней кристаллов никеля отношение среднеквадратичных смещений атомов поверхности в направлении, перпендикулярном поверхности, к объемным составляет 2–3 .

Были проведены многочисленные теоретические расчеты, предсказывающие, что средний квадрат амплитуды колебаний для поверхностных атомов должен быть больше, чем для атомов в объеме кристалла, и с увеличением расстояния от свободной поверхности амплитуда колебаний поверхностных атомов быстро стремится к своему объемному значению (см. Марадудин, 1968). Вычисления Рича (1963) показывают, что колебания атомов только в пятом атомном слое практически не отличаются от колебания атомов в объеме .

Эти данные подтверждаются исследованиями с помощью эффекта Мессбауэра. Аллен в 1964 г .

выполнил измерения фактора Дебая – Валлера и доплеровского сдвига второго порядка для Co57, нанесенного на поверхность кристалла кремния. Вычисленная дебаевская температура составляла 555 °К для поверхностных атомов и 588 °К для атомов в объеме образца. Это означает, что средний квадрат амплитуды для поверхностных атомов больше, чем для атомов в объеме. Флинн и др. в 1964 г. использовали эффект Мессбауэра для наблюдения анизотропии среднего квадрата амплитуды колебания поверхностных атомов .

Существенное отличие в величине амплитуды колебаний атомов на поверхности и в глубине вещества сейчас признается большинством исследователей, что можно видеть на примере крупных обобщающих работ, посвященных поверхностным явлениям .

Таким образом, по существу атомы совершают скачки над поверхностью, подобно тому как это происходит на поверхности жидкости. Только эти скачки привязаны к узлам кристаллической решетки. Атомы при скачках, тем не менее редко отрываются от своих узлов, хотя это и происходит иногда и в этом случае они испаряются. Значит, на поверхности возникает слой со скачущими атомами, т. е .

точно такой же разуплотненный слой, как и в жидкости. В этом слое появляются только атомы с наиболее значительной энергией колебания, иными словами это слой, где избыточная энергия теплового движения вещества, можно сказать, выходит на поверхность для проявления ее в природных процессах, которые в подавляющем большинстве случаев осуществляют свое действие именно через поверхности. Значит и в поверхностном слое твердых веществ должна действовать Т-СРПС также, как и в жидкостях и газах .

2.1.5.2. Поверхностное натяжение и свободная поверхностная энергия веществ как результат действия Т-СРПС Понятие о поверхностном натяжении возникло еще в начале XVIII века при изучении жидкостей. Тогда казалось вполне очевидным, что на поверхности жидкости существует упругая пленка, которая с определенной силой поверхностного натяжения стягивает жидкость с образованием сферических капель. Была лишь дискуссия, за счет чего образуется это натяжение: или в результате продольных сил упругости самой пленки, или вследствие втягивания молекул вглубь жидкости и создания за счет этого сил, стремящихся сохранить площадь поверхностного слоя .

В последующем, и в первую очередь при термодинамическом анализе поверхностных явлений в твердых веществах, возникло представление о свободной поверхностной энергии. Это связано с тем, что в твердых веществах первоначальное представление о поверхностном натяжении теряет свой четкий физический смысл, поскольку определить, как твердые вещества «стягиваются» своим поверхностным слоем, прямыми экспериментальными наблюдениями почти невозможно, потому что этому препятствуют жесткость и твердость тел, значительно превосходящие силу поверхностного натяжения. Однако ни у кого не вызывает сомнения, что явление поверхностного натяжения в твердых телах существует так же как и в жидкостях, хотя и в более скрытой форме; названо оно было свободной поверхностной энергией .

В научной литературе существует представление, что поверхностное натяжение и свободная поверхностная энергия – это одно и то же понятие, и выражается оно в одинаковых единицах. В частности, можно привести высказывания по этому вопросу А.А. Адамсона (1979): « Решение вопроса, какая из двух концепций – поверхностное натяжение или свободная поверхностная энергия является более приемлемой – дело вкуса. В данной книге эти два термина используются как равнозначные…Термин «поверхностное натяжение» является более ранним; оно возвращает нас к старым представлениям о том, что поверхность жидкости как бы стянута своего рода оболочкой. Однако при этом может сложиться ошибочное представление, что при растяжении поверхности жидкости молекулы, находящиеся на поверхности, переходят в более напряженное состояние. Из термина «поверхностная свободная энергия» следует только, что для образования дополнительной поверхности, т. е .

для переноса молекулы из объема фазы в поверхностный слой, требуется определенная работа. По этой причине, а также вследствие того, что термин «поверхностная свободная энергия» легче связать с обычным языком химической термодинамики, автор считает, что следует отдать предпочтение именно этому понятию» (с. 11) .

Я.И. Френкель (1973) отмечает, что «поверхностное натяжение измеряется, как известно, свободной поверхностной энергией ее поверхности, отнесенной к единице площади.… Поверхностная энергия жидкости может быть определена, вообще говоря, как избыточная потенциальная энергия единицы поверхности, обусловленная недостатком соседей у частиц поверхностного слоя» (с. 351) .

Э. Зенгуил (1990) заключает, что «поверхностное натяжение можно рассматривать как избыток свободной энергии, отнесенной к единице площади» (стр. 25) .

В.Д. Кузнецов (1954) свидетельствует, что «поверхностную энергию можно рассматривать или как избыток энергии на единицу площади, или как силу, которую необходимо приложить к единице длины, чтобы разорвать поверхностный слой. В учении о жидкостях принято второе толкование, и поэтому поверхностная энергия называется чаще поверхностным натяжением» (с. 12) .

А.С. Ахматов (1963) отмечает, «что ясности в вопросе о происхождении поверхностного натяжения в настоящее время нет и, что этот вопрос нуждается в теоретической разработке… общепризнанных теорий возникновения поверхностного натяжения не существует» (с. 143) .

В отношении жидкостей и твердых веществ имеются некоторые различия в трактовке разными специалистами молекулярно-кинетического механизма формирования поверхностного натяжения .

Для жидкостей, как это мной отмечалось выше, сейчас общепринято представление, что формирование их поверхностного натяжения обусловлено втягиванием молекул вглубь жидкости ван-дерваальсовыми силами притяжения .

В отношении поверхностного слоя твердых веществ представление о втягивании его поверхностных атомов в глубь вещества практически не упоминается, так как кажется совершенно очевидным, что это сделать невозможно. На передний план выходит термодинамическое объяснение, которое, например, в типичном виде дается В.Д.

Кузнецовым (1954):



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |



Похожие работы:

«ГЕОДЕЗИЯ И КАРТОГРАФИЯ ОРГАН ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ СЛУЖБ СТРАН СНГ ВЫПУСКАЕТСЯ ПРИ ПОДДЕРЖКЕ ФЕДЕРАЛЬНОЙ СЛУЖБЫ ГОСУДАРСТВЕННОЙ РЕГИСТРАЦИИ, КАДАСТРА И КАРТОГРАФИИ МИНИСТЕРСТВА ЭКОНОМИЧЕСКОГО РАЗВИТИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Ежемесячный научно-технический и производств...»

«Д.А. Сорокин Моделирование режимов работ Токтогульского гидроузла на гидрологической модели бассейна реки Сырдарья НИЦ МКВК Введение Гидротехническое строительство крупных водохранилищных гидроузлов требует всестороннего обоснования. Новые сооружения, включаемые в существующие схемы регулирования и использования стока, должны быт...»

«353 Использование компьютерной программы Speech Analyzer для изучения фонетических особенностей русской речи китайских студентов Чжуан Вэйвэй Казанский (Приволжский) федеральный университет фонетика, пауза, программа Speech Analyzer Освоение фонетической системы языка является своего рода первым шагом для...»

«Вильданова Ляйсан Валерьевна ТЕОРЕТИКО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФОРМИРОВАНИЯ РЫНКА КВОТ НА ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ Специальность 08.00.05 – Экономика и управление народным хозяйством (экономика природопользования) АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата экономических н...»

«1 Д оговор оказания услуг № ^ 2016г. г. Екатеринбург "f f v,М/ОсА Победителем запроса предложений в электронной форме № 20-16 "На оказание услуг по комплексной уборке пассаж ирских зон и прилегающ их территорий станции "Ботаническая". Признано Общ ество с ограниченной ответственностью "Ротекс" (протокол подведения итогов з...»

«МОНИТОРИНГ ПРЕССЫ Сентябрь 2011 ИА "ФК Новости". 28.09.2011 11:00 Проект ОАО Климов по разработке и выпуску газотурбинных двигателей в Петербурге признан стратегическим САНКТ-ПЕТЕРБУРГ, 28 сентябр...»

«Тарифные планы "WiFire 50", "WiFire 70", "WiFire 100", "WiFire 150", "WiFire 333" на услуги доступа к сети Интернет только для действующих Абонентов физических лиц, вводимые в действие с "10" ноября 2014 года, на территории действия тарифных зон "Москва", "Московская область", "Дегунино"Тарифные планы...»

«СОДЕРЖАНИЕ СПИСОК ИСПОЛНИТЕЛЕЙ.. 3 НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ.. 4 УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ. 5 ВВЕДЕНИЕ.. 6 1. СПОСОБЫ ЗАЩИТЫ БЕТОННЫХ ИЗДЕЛИЙ ОТ КОРРОЗИИ . 9 1.1. Коррозия бетона и меры защиты.. 9 1.2. Си...»

«ИСТОЧНИК ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ РЕЗЕРВИРОВАННЫЙ ББП-50 МАХ / ББП-80 МАХ Технический паспорт Источник вторичного электропитания резервированный "ББП-50 MAX", "ББП-80 MAX" (далее – ББП) предназначен для обеспечения бесперебойного электропитания потребителей при номинальном напряжен...»

«ПОТАПОВА Любовь Николаевна УЧЕТ И КОНТРОЛЬ ДЕНЕЖНЫХ ПОТОКОВ В  ОРГАНАХ  ФЕДЕРАЛЬНОГО КАЗНАЧЕЙСТВА Специальность:  08.00.10 - Финансы, денежное обращение и кредит и 08.00.12 - Бухгалтерский учет, статистика Автореферат диссертации на соискание ученой ...»

«ТЕХНИЧЕСКИЙ ПАСПОРТ ИЗДЕЛИЯ Руководство по эксплуатации DDE – установки электрогенераторные для выработки электрического тока Модели электрогенераторов DDE: GG1300 • GG2000 GG2700 • GG3300 ОГЛАВЛЕНИЕ Содержание Страница 1. Общие сведения 4 2. Безопасность 4 2.1 Охрана окружающей среды 5 3. Описание генератора 5 Автоматы защиты 7 3.1 Авто...»

«АВТОМАТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДДЕРЖАНИЯ ДАВЛЕНИЯ ВОЗДУХА МОДЕЛИ AMD-2 AIR MAINTENANCE DEVICE MODEL AMD-2 Автоматическое устройство поддержания давления ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ воздуха AMD-2 является автоматическим...»

«УТВЕРЖДАЮ Первый заместитель генерального ь по научной ИИФТРИ" А.Н. Щипунов 2017 г. Инструкция Анализатор цепей векторный MS4644A Методика поверки МП 160-17-03 2017 г 1 О сновны е полож ения 1.1 Наст...»

«ПОЛИТИКА КОНФИДЕНЦИАЛЬНОСТИ Данное положение о конфиденциальности информирует Вас о том, какие персональные данные ООО "Дон Кихот" собирает в рамках предлагаемых услуг, а также как эти...»

«База нормативной документации: www.complexdoc.ru СИСТЕМА НОРМАТИВНЫХ ДОКУМЕНТОВ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ ТЕРРИТОРИАЛЬНЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ НОРМЫ ТСН (ТЕРр) 81-04(51-69)-2001 ТЕРРИТОРИАЛЬНЫЕ ЕДИНИЧНЫЕ РАСЦЕНКИ НА РЕМОНТНО-СТРОИТЕЛЬНЫЕ РАБОТЫ в Алтайском крае ТЕР-2001-69 Сборник № 69 П...»

«ISSN 2227-8486 МОДЕЛИ, СИСТЕМЫ, СЕТИ В ЭКОНОМИКЕ, ТЕХНИКЕ, ПРИРОДЕ И ОБЩЕСТВЕ НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЖУРНАЛ № 3(7) 2013 МОДЕЛИ, СИСТЕМЫ, СЕТИ В ЭКОНОМИКЕ, ТЕХНИКЕ, ПРИРОДЕ И ОБЩЕСТВЕ НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЖУРНАЛ Учредитель и издатель журнала: Общес...»

«ISSN 1829-0043 ВЕСТНИК ИНЖЕНЕРНОЙ АКАДЕМИИ АРМЕНИИ (ВИАА). 2017. Т. 14, N 2 УДК 535.14 ИНФОРМАТИКА, ЭЛЕКТРОНИКА И НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ Г.С. Караян, А.Г. Чибухчян ВЛИЯНИЕ СДВИГА ФАЗЫ ИМПУЛЬСА НА ФУНКЦИЮ ВИГНЕРА ДЛЯ ОПТИЧЕСКОГО РЕЗОНАТОРА КЕРР...»

«С.Г. Кара-Мурза Звезда Саяно-Шушенской ГЭС над Россией Третий Ангел вострубил, и упала с неба большая звезда, горящая подобно светильнику, и пала на третью часть рек и на источники вод. Имя сей звезде полынь; и третья часть вод сделалась полынью,...»

«Пресс-клиппинг проекта "Рейтинг крупнейших компаний России RAEX-600" Тематическая карта № Заголовок Дата Источник Отраслевая структура рейтинга (по объему 1 реализации) 28.09.2016 Коммерсантъ (Приложение) 2 Доходный промысел рубля 28.09.2016 Коммерсантъ (Приложение) Крупнейшие компании России по объему 3 реализации продукц...»

«УТВЕРЖДАЮ: Начальник службы автоматики и телемеханики _ А.С. Батьканов ""_2007 г.2.28. СХЕМЫ МАРШРУТНОГО БМРЦ. Назначение, устройство неисправности и методы устранения.Преимущество БМРЦ над другими сис...»

«Закрытое акционерное общество "Топливно-энергетический консорциум" ЗАО "ТЭК" СТАНДАРТ ОРГАНИЗАЦИИ СТО 64601240-001-2013 ЭЛАСТОМЕРНЫЙ МОДИФИКАТОР БИТУМА RUBIND Технические условия г. Москва СТО 64601240-001-2013 Предисловие Цели и принципы стандартизации в Российской Федерации установлены Федеральным...»

«RU Руководство по эксплуатации СТИРАЛЬНАЯ МАШИНА Руководство по эксплуатации VFWM 1250 X VFWM 1250 W Содержание 4 РАЗДЕЛ-1: ПЕРЕД ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МАШИНЫ • Назначение 6-7 • Предупреждение общего характера 8-9-10-11 • Правила...»







 
2019 www.mash.dobrota.biz - «Бесплатная электронная библиотека - онлайн публикации»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.