Попытаемся присмотреться повнимательнее к поведению какой-либо сильно вязкой жидкости и сравнить ее свойства со свойствами жидкости мало вязкой.
Представьте себе, что вы размешиваете ложкой густую сметану. Рука непосредственно чувствует усилие, которое необходимо для того, чтобы ложка двигалась. Размешайте той же ложкой чай. Для этого потребуется гораздо меньшее усилие. Очевидно, движение твердого тела в мало вязкой жидкости встречает меньшее сопротивление, чем в жидкости сильно вязкой. Вот вам и один из способов измерить вязкость жидкости: достаточно определить сопротивление, испытываемое при движении в ней твердым телом правильной формы, например небольшим шариком.
Наряду с этим способом вязкость часто измеряется иначе. Сравните, как вытекают из одинаковых бутылок такие жидкости, как вода и густой мед. У многих при выливании меда из бутылки невольно возникает желание потрясти ее, для того чтобы мед вытекал скорее. Чем больше вязкость жидкости, тем медленнее она течет. Сравнив время протекания по узенькой трубочке одного и того же количества двух различных жидкостей, мы узнаем, во сколько раз вязкость одной жидкости больше или меньше вязкости другой.
Приняв условно, что вязкость чистой воды при 20 градусах равна 0,01, мы найдем таким способом, что вязкость касторового масла равна 12, то-есть в тысячу двести раз больше, а вязкость эфира — 0,0026, то-есть в четыре раза меньше, чем вязкость воды.
Когда для определения вязкости жидкости измеряется сопротивление, оказываемое ею движению твердого тела, надо помнить, что сопротивление будет возрастать не только при увеличении вязкости, но и при увеличении размеров тела. Кроме того, вязкость жидкости — только одна из причин сопротивления движению тела. Она играет главную роль, когда движение происходит с небольшой скоростью. Движущееся тело как бы раздвигает слои жидкости, которые спокойно соединяются сзади него (рис. 41).
Рис. 41. Слоистое течение жидкости.
С возрастанием скорости картина движения изменяется. Частицы жидкости приобретают вращательное движение, течение делается пульсирующим, в жидкости возникают вихри (рис. 42), приводящие к перемешиванию жидкости.
Рис. 42. Вихри в жидкости.
Возникновение вихрей требует дополнительного усилия при движении тела в жидкости. Сопротивление движению делается больше. Чем энергичнее вихреобразование, тем больше сопротивление.
Для образования вихрей большое значение имеет форма тела. Здесь может оказаться более выгодным воспользоваться телом больших размеров, но обладающим формой, ослабляющей образование вихрей. Такая форма называется обтекаемой.
Вязкость газов и, в частности, воздуха ничтожно мала. Вызванным ею сопротивлением можно свободно пренебречь. Иначе обстоит дело с сопротивлением, вызванным образованием вихрей при быстром движении. В этом случае сопротивление может быть очень большим. Именно поэтому предметам, предназначенным для движения с большой скоростью в воздухе или в жидкости, придают обтекаемую форму.
В чем же причина вязкости, как она связана с молекулярным строением вещества?
Природу вязкости газов удалось объяснить давно. Предположим, что в газе движутся в направлении слева направо две соприкасающиеся струйки: одна быстрее, вторая медленнее (рис. 43).
Рис. 43. Возникновение внутреннего трения в газе.
Беспорядочное тепловое движение молекул газа заставляет частицы, движущиеся в одной из струек, залетать в другую. Этот залет частиц компенсируется встречным. В результате молекулы, попавшие из струи, движущейся быстрее, в более медленную, будут ускорять ее движение, а встречные им, попав в быстро движущийся поток газа, будут его тормозить.
Как мы видим, вязкость, или внутреннее трение, газа вызвана переносом разного количества движения. Молекулы, уходящие из быстро движущегося потока, уносят количество движения большее, чем приносят поступающие на их место.
Это объяснение позволило предвидеть некоторые особенности поведения газов. Так, например, удалось подсчитать изменение вязкости газов при изменении температуры. Результат оказался неожиданным: если газ нагревать в закрытом сосуде, то согласно расчету вязкость его возрастает. Многим это казалось невозможным, однако опыт подтвердил предвидение теории: газ, который нагревается без увеличения объема, делается более вязким.
Правильный расчет вязкости газов много способствовал утверждению в науке атомного учения.
Значительно хуже обстоит дело с объяснением вязкости жидкостей. Воспользоваться теми же рассуждениями, которые дали возможность объяснить вязкость газов, нельзя, потому что они приводят к противоречащей опыту зависимости вязкости жидкости от температуры.
Это не означает, что в движущейся жидкости перенос разного количества движения не играет никакой роли. Несомненно, это явление имеет место в жидкости и влияет на ее свойства. Однако при объяснении вязкости необходимо учитывать особенности молекулярного строения жидкости, отличающие ее от газа. Вероятно, решающее значение здесь имеет энергичное молекулярное взаимодействие, отсутствующее в газах.
Как бы там ни было, можно с полным основанием утверждать, что, несмотря на большое количество предложенных теорий, до сих пор не существует исчерпывающего объяснения вязкости жидкости.
Вязкость жидкости быстро возрастает при понижении температуры. Наоборот, при нагревании вязкость жидкости уменьшается.
При перевозке некоторых жидкостей в зимние месяцы их вязкость настолько увеличивается, что для выгрузки загустевшую массу приходится подогревать.
Иногда при понижении температуры вязкость возрастает настолько, что жидкость теряет одно из своих основных свойств — подвижность частиц, она перестает течь.
Это наблюдается, например, у каменноугольного дегтя, или, как его иногда называют, вара. Каменноугольный деготь — составная часть асфальта, которым покрывают улицы городов, автомобильные дороги.
Нагретый вар — подвижная жидкость. При охлаждении его подвижность уменьшается, каменноугольный деготь начинает напоминать густую сметану.
При еще более низкой температуре это уже не вязкая жидкость, а блестящее твердое тело с характерным острым изломом. Однако в затвердевшем варе взаимная подвижность частиц не полностью потеряна. Положите на кусок вара небольшой камень или металлическую гирьку и оставьте в покое. Через несколько дней на поверхности вара образуется отпечаток лежавшего на нем предмета.
К такого же рода веществам, как и каменноугольный деготь, относятся различные смолы, стекла, эмали…
Более подробно с их свойствами мы познакомимся позже.
Жидкость превращается в твердое тело
В жизни можно часто наблюдать превращение жидкости при охлаждении ее в твердое тело.
Иногда это происходит, как мы только что рассказали, вследствие увеличения вязкости, и тогда наблюдается плавное превращение жидкости в твердое тело. Жидкость все более теряет текучесть, пока не уподобится по своим механическим свойствам твердому телу.
Чаще, однако, жидкость превращается в твердое тело скачкообразно, при определенной для каждого вещества температуре. Это явление называют кристаллизацией, а температуру, при которой оно происходит, температурой кристаллизации.
При кристаллизации изменяется строение тела и одновременно скачкообразно изменяются его свойства.
Но хотя каждое вещество имеет совершенно определенную температуру кристаллизации, на практике жидкость легко охладить ниже этой температуры, и все же она останется жидкостью. Такую жидкость называют переохлажденной.
Переохлажденная жидкость неустойчива. Достаточно внести в нее маленький кристаллик или даже просто энергично встряхнуть сосуд, в котором она находится, и жидкость быстро закристаллизуется. Особенно легко переохлаждается расплавленный гипосульфит — основная часть фиксажа, употребляемого для «закрепления» фотографических пластинок. Гипосульфит легко расплавить в стеклянной колбе. Образовавшуюся жидкость надо профильтровать и оставить спокойно стоять, Как правило, температура опускается до комнатной, а гипосульфит остается жидким, — он переохлажден.
Если в колбу с переохлажденным гипосульфитом бросить кристаллик, то он начнет быстро расти и большая часть содержимого колбы затвердеет.
Почему же не затвердеет весь гипосульфит?
Чтобы понять это, приложите к колбе ладонь. Вы сразу почувствуете, что колба горячая.
Оказывается, жидкость, охлажденная до температуры кристаллизации, не превращается в твердое тело, даже если бросить в нее для затравки маленькие кристаллики. Для того чтобы жидкость превратилась в твердое тело, от нее надо отвести выделяющееся при кристаллизации тепло. Именно выделение теплоты при затвердевании переохлажденного гипосульфита и нагрело колбу. Конечно, переохлажденная жидкость может нагреться только до температуры кристаллизации. При более высокой температуре образующееся твердое тело будет вновь плавиться.
Замечательно, что, несмотря на отвод тепла от затвердевающей жидкости, ее температура остается постоянной все время, пока продолжается кристаллизация.
Плавление твердого тела требует затраты такого же количества тепла, какое выделяется при затвердевании. Естественно, теплоту, поглощаемую при плавлении твердого тела и выделяющуюся при затвердевании жидкости, назвали скрытой теплотой плавления, или скрытой теплотой кристаллизации.
Скрытая теплота кристаллизации разных жидкостей различна. Особенно велика скрытая теплота кристаллизации воды. Теплоты, которая выделяется при превращении одного грамма воды в лед, достаточно для того, чтобы нагреть это количество воды от нуля приблизительно до 80 градусов, то-есть она равна 80 калориям.
То, что при превращении воды в лед выделяется очень много тепла, имеет большое значение в жизни природы. С наступлением морозов замерзание рек и озер происходит не мгновенно, а постепенно. Превращаясь в лед, вода выделяет в окружающее пространство скрытую теплоту кристаллизации. Это замедляет кристаллизацию воды, замерзание происходит более медленно, постепенно.