IIНА ПУТИ К ПОРЯДКУ
Колыбель жизни
В далекие времена, когда на Земле не было еще ни растений, ни животных, ее поверхность почти сплошь покрывали первичные моря и океаны. Именно в их теплых водах происходило образование сложных органических веществ, приведших к возникновению жизни на Земле.
Видя на каждом шагу, какую огромную роль играет вода в жизни природы и человека, древние народы обожествляли воду.
Значение воды действительно огромно. Она обеспечивает плодородие почвы: участвует в самом процессе ее образования, несет питательные вещества растениям, делает возможным протекание сложных физико-химических и микробиологических процессов, с которыми связана жизнь растений.
Всем известно, каким бедствием для сельского хозяйства может явиться засуха.
В наше время водою покрыто более семи десятых поверхности Земли, что составляет 361 миллион квадратных километров. Если бы всю воду морей и океанов равномерно распределить по поверхности Земли, то она покрыла бы Землю слоем почти в четыре километра толщиною.
Ежегодно с поверхности морей и суши испаряется 511 тысяч кубических километров воды! Попав в более высокие части атмосферы, эта огромная масса водяных паров вновь превращается в воду и падает на Землю в виде дождя, снега или града.
В вечном круговороте вода изменяет облик Земли. Спускающиеся с гор ледники вырывают на склонах глубокие долины и несут в океан огромные камни, куски скал…
Речные потоки ежегодно уносят в моря и океаны около 16 миллиардов тонн твердых материалов или в виде камней, различных обломков, или же в виде растворенных веществ. Попробуйте погрузить все это в товарные вагоны, и вы получите поезд, который тридцать раз опояшет земной экватор.
Унесенные реками обломки камней, песок, глина и прочее оседают на дно и дают начало образованию новых горных пород.
Не будет преувеличением, если мы скажем, что вода — главный природный фактор, определяющий геологические процессы, протекающие на Земле.
И человеческий организм и организм животного больше чем наполовину состоят из воды. Это может показаться неожиданным, но это так. Если животное потеряет всего от одной десятой до одной пятой части той воды, которая содержится в его организме, оно погибнет. Человек может прожить больше месяца без пищи, но умирает через несколько дней без воды.
Огромна роль воды в технике. Это она, превращенная в пар, заставляет работать паровые машины, турбины электростанций; это она, двигаясь по отопительным трубам, несет тепло в наше жилище; это она в виде быстрой струи помогает извлекать торф, намывает плотины; это она необходимый спутник самых разнообразных химических процессов.
Велика роль в жизни человека и других жидкостей. В химической промышленности в подавляющем большинстве случаев приходится иметь дело с жидкостями. Различные сорта нефти, бензины, масла, спирты, кислоты и многие другие вещества, с которыми встречается в своей практике химик, — жидкости.
Еще алхимики, как бы подводя итог своим бесчисленным опытам, утверждали, что «тела не действуют, если они не растворены».
Каково же строение жидкостей, чем их свойства отличаются от свойств газов и как объяснить особенности жидкостей, опираясь на учение об атомах?
Двуликий Янус
На старинных римских монетах можно встретить странное изображение — человеческую голову с двумя смотрящими в противоположные стороны лицами. Это языческий бог — двуликий Янус. Если один лик Януса обращен направо, то второй смотрит налево.
По своим свойствам жидкости напоминают это забытое божество. Если одни свойства их сходны со свойствами газов, то другие — со свойствами твердых тел.
Промежуточное положение, которое занимают жидкости между газами и твердыми телами, сильно затрудняет объяснение особенностей их атомного строения.
Те свойства, которые общи жидкостям и газам, скорее бросаются в глаза человеку, нежели те, которые указывают на родство жидкостей и твердых тел.
Особенно большое впечатление производит общая газам и жидкостям подвижность их частиц друг относительно друга.
Махните рукой!
Вы почти не ощущаете сопротивления воздуха.
Проведите рукой в воде!
Сопротивление более ощутимо, но все же рука свободно движется, увлекая за собой частицы воды. В этом отношении вода напоминает очень плотный газ и вовсе не похожа на твердое тело.
Кроме того, у жидкости, как и у газа, свойства одинаковы в любом направлении. Так, например, жидкость преломляет световой луч одинаково, вне зависимости от того, как он падает на ее поверхность. Иначе ведет себя кристаллическое твердое тело: преломление луча в нем зависит от того, как луч направлен.
И, наконец, как мы уже знаем, постепенно сжимая газ, его можно превратить в жидкость плавно, без скачкообразного изменения свойств вещества.
Все это, казалось бы, говорит о том, что жидкость можно считать очень сильно сжатым газом.
Не будем, однако, торопиться с выводами и продолжим сравнение свойств жидкостей, газов и твердых тел.
Каждый, кто хоть раз играл в футбол, знает, что перед началом игры кто-нибудь из футболистов проверяет, хорошо ли накачан мяч. Если мяч мягкий, в него насосом дополнительно накачивают воздух. Это можно сделать только потому, что воздух, как и другие газы, легко сжимается.
Совсем иначе ведут себя жидкости: они практически несжимаемы и в этом отношении гораздо больше походят на твердые тела, чем на газы.
Однажды был произведен такой опыт: в стальной сосуд налили ртуть и очень сильно сжали. На поверхности сосуда при этом появились мельчайшие капельки ртути, которая просочилась через толщу металла. Вот как велико было сопротивление ртути сжатию!
Рис. 18. Для того чтобы сжать воду в стакане только на 4 процента, на нее нужно давить с силой в несколько десятков тонн.
Сходно ведут себя и другие жидкости. Чтобы, сжимая, уменьшить объем воды всего на 4 процента, ее надо подвергнуть давлению приблизительно в тысячу атмосфер.
Именно поэтому водой пользуются при испытании прочности водопроводных труб, артиллерийских снарядов, баллонов для сжатых газов и т. п. Испытуемый снаряд или баллон наполняют водой и, увеличивая давление, следят за тем, не образуется ли трещина, не появится ли на поверхности вода…
Если сравнивать различные тела по их сжимаемости, то жидкости надо было бы отнести в одну группу с твердыми телами, а не с газами.
К тому же заключению о сходстве твердых и жидких тел приводит сравнение их плотности.
Плотность различных веществ в газообразном состоянии обычно в тысячи раз меньше, чем их плотность в жидком состоянии. Другими словами, при испарении объем, занимаемый веществом, увеличивается в тысячи раз.
Иная картина наблюдается при плавлении, то-есть при превращении твердого тела в жидкость. Увеличение объема при этом невелико, оно составляет приблизительно десятую часть объема, занимаемого твердым телом.
В некоторых, правда немногочисленных, случаях при плавлении объем, занимаемый телом, даже уменьшается, так что плотность жидкости оказывается большей, чем плотность твердого тела. К таким необычным по изменению плотности веществам относятся вода, чугун, висмут.
Раз объем тел при плавлении изменяется незначительно, незначительно изменяются и расстояния между молекулами, а следовательно, и силы, действующие между ними.
Можно предположить поэтому, что движение мельчайших частиц вещества в жидкостях напоминает движение частиц в твердых телах, а не в газах. Это предположение нетрудно проверить. От характера движения частиц зависит теплоемкость вещества. Сравнив теплоемкость жидких и твердых тел, ученые убедились в том, что они действительно близки друг к другу, то-есть что движение мельчайших частиц жидкости напоминает движение атомов твердых тел, а не молекул газов.
Мы видим, что поступили правильно, не сделав поспешного вывода о родстве жидкостей и газов.
Если подвижность частиц и одинаковость свойств во всех направлениях роднят жидкости с газами, то плотность, теплоемкость и малая сжимаемость их указывают на сходство жидкостей и твердых тел.
Заметим, что если жидкость заставить быстро изменять форму, то она приобретает еще одну черту, роднящую ее с твердыми телами, а именно — делается хрупкой.
Мы привыкли к тому, что быть хрупкими, то-есть способными разламываться, могут только твердые тела. Оказывается, это неверно: при очень быстром ударе жидкость разламывается, как хрупкое твердое тело.
На рисунке 19 вы видите струю очень вязкой жидкости, которую пересекает медленно движущаяся палочка.
Рис. 19. При медленном движении палочки струя вязкой жидкости изгибается.
Видно, как под давлением палочки струя изогнулась, в следующее мгновение она разорвется — палочка ее пересечет. Не то будет, если палочка ударит по струе достаточно быстро. В этом случае (рис. 20) струя разломается, как если бы она была сделана из стекла.
Рис. 20. При быстром ударе струя разламывается, как хрупкое тело.
На рисунке хорошо видны «осколки» жидкости, отброшенные при ударе.
Итак, мы убедились в том, что привычная нам текучесть жидкостей не является непреодолимым барьером между жидкостями и твердыми телами. При определенных условиях жидкость может быть хрупкой.
Чему же отдать предпочтение? Если на одну чашку весов положить свойства, роднящие жидкости с твердыми телами, а на другую — роднящие с газами, какая из чашек перетянет?
Оказывается, что ответить на этот вопрос нельзя, и вот почему.
Свойства жидкости сильно изменяются при изменении температуры. При низкой температуре, близкой к той, при которой жидкость затвердевает, свойства жидкости ближе к свойствам твердого тела. По мере же повышения температуры жидкость все более походит на газ, поведение мельчайших частиц, образующих жидкость, приближается к поведению молекул газа.