Кочующие маятнички
Каково же молекулярное строение жидкости?
Молекулы газа или пара движутся по причудливо изломанным линиям. Отдельные участочки этих линий много больше размеров самих молекул.
В жидкости положение иное.
Молекулы жидкости располагаются очень близко друг к другу. Поэтому их движение напоминает скорее дрожание, при котором они только незначительно смещаются, постоянно возвращаемые назад ударами соседних молекул. Сравнительно редко какой-нибудь молекуле удается вырваться из тесного окружения своих соседей. Большую же часть времени она движется как бы в клеточке, стенки которой образуют ближайшие к ней частицы.
Движение молекулы в этой ячейке напоминает движение маятника стенных часов-ходиков. Такое движение называют колебательным.
Имеется, однако, существенное отличие колебаний, совершаемых маятником часов, от колебаний молекул жидкости. При колебании маятника подвес его остается неподвижным и только диск отклоняется попеременно то вправо, то влево. Уподобляя движения молекулы жидкости колебаниям маятника, необходимо предположить, что и подвес маятника, вместо «оседлого» образа жизни, то и дело кочует с одного места на другое. В течение периода «оседлой жизни» молекула колеблется внутри ячейки. В период «кочевья» она перебирается в соседнюю ячейку. За время, которое частица проводит в какой-либо ячейке, она успевает совершить большое число колебаний.
Однако если температура жидкости будет увеличиваться, молекулы станут все чаще и чаще кочевать из одной ячейки в другую. Тем самым время их «оседлой жизни» уменьшится, и сам характер движения будет все более напоминать движение молекул газа.
Почему же поверхность спокойной жидкости представляется нам неподвижной, почему мы не замечаем непрерывного дрожания молекул?
Еще Ломоносов в одном из своих сочинений писал: «Ведь нельзя отрицать существование движения там, где его не видно: кто, в самом деле, будет отрицать, что когда через лес проносится сильный ветер, то листья и сучки дерев колышутся, хотя бы при рассматривании издали глаз не видел движения. Точно так же, как здесь вследствие расстояния, так и в теплых телах вследствие малости частиц движущейся материи, колебание ускользает от взора».
И в самом деле. Посмотрите на лезвие безопасной бритвы. Каким ровным и гладким оно нам представляется. А теперь взгляните на рисунок 21.
На нем изображен маленький участок того же лезвия, каким он виден в электронный микроскоп. А ведь обычные по своим размерам молекулы и в электронный микроскоп не видны. Неудивительно, что тепловое движение молекул нельзя увидеть.
Рис. 21. Так выглядит маленький участок лезвия безопасной бритвы под электронным микроскопом.
Какую же скорость имеют молекулы жидкости?
Оказывается, что средняя скорость теплового движения молекул жидкости такая же, как и у газа, молекулы которого имеют тот же вес, взятого при той же температуре. И так же, как и у газов, у жидкостей скорость беспорядочного движения молекул растет с ростом температуры.
Таким образом, тепловое движение молекул жидкости, особенно при высокой температуре, имеет черты сходства с движением молекул газа, не исключающие, однако, существенного различия. Это различие еще более усугубится, если учесть, что полная беспорядочность в расположении молекул, характеризующая газ, сменяется у жидкостей некоторой упорядоченностью. Если мысленно выделить, отметить каким-либо способом одну из молекул жидкости, то окажется, что ближайшая к ней молекула будет всегда находиться на совершенно определенном расстоянии от нее и это расстояние одинаково для всех окружающих ее молекул.
Это уже элемент порядка!
Примечательно, что упорядоченность в расположении частиц жидкости ограничивается только ближайшим окружением выбранной молекулы. Положение молекул, следующих за ближайшими соседями отмеченной молекулы, уже не будет так точно определенно, как положение ее непосредственных соседей.
Здесь возможны некоторые отступления: в одном опыте вторая молекула встретится ближе, в другом дальше, чем ей надлежало бы быть. Еще менее определенно положение третьей молекулы. По мере удаления от исходной молекулы порядок в расположении частиц быстро исчезает. Про жидкость говорят, что в ней существует ближний порядок в расположении молекул.
Может возникнуть вопрос: каким образом упорядоченное расположение частиц вблизи любой произвольно выбранной молекулы сочетается с хаотичным расположением вдали от нее? Ведь казалось бы, что, переходя от выбранной молекулы к соседней, а от той к следующей и продолжая подобный переход все дальше и дальше, можно пройти через всю жидкость. И если всякий раз вблизи молекулы будет наблюдаться упорядоченное расположение ее соседей, то как будто бы эта упорядоченность должна охватывать всю жидкость. Но в действительности это не так. Понять это помогает рисунок 22, на котором показано, как можно представить себе расположение молекул в жидкости.
Рис. 22. В жидкости сохраняется только ближний порядок в расположении молекул.
Всякий раз, когда мы измеряем расстояние между двумя соседними молекулами, оно оказывается одним и тем же. Однако если соединить две соседние молекулы прямой линией и продолжить ее в обе стороны, то станет ясно, что, двигаясь вдоль намеченного направления, мы будем встречать следующие за ближайшими соседями молекулы, в зависимости от случая, на самых различных расстояниях от исходной.
И все же, взглянув на рисунок, никто не скажет, что в изображенном расположении молекул-шариков порядок вообще отсутствует. Конечно, приведенный рисунок не является точным изображением истинного расположения молекул жидкости, а представляет собой только схему, поясняющую мысль.
Понять свойства жидкости можно лишь в том случае, если постоянно держать в уме еще одну важную особенность их молекулярного строения.
Неощутимое давление
Благодаря тому, что молекулы жидкости расположены очень близко друг к другу, каждая из них с большой силой притягивается окружающими. Если молекулы газа можно уподобить рою мошек, в котором любая движется независимо от своих соседей, то молекулы жидкости следовало бы сравнить с пчелиным роем, севшим на ветку. В севшем рое каждая пчелка крепко держится ножками за ближайшую соседку, та, в свою очередь, за свою соседку, и так весь рой оказывается связанным, несмотря на то, что форма его непрерывно изменяется. Подобным же образом связаны между собой все молекулы жидкости.
Силы молекулярного притяжения так быстро убывают при увеличении расстояния между молекулами, что, по существу, любая из них связана только со своими ближайшими соседями. Вокруг молекулы существует некоторая область, внутри которой проявляется молекулярное притяжение (рис. 23), и можно без особенно большой ошибки предположить, что молекулы, лежащие за границей этой области, уже не испытывают притяжения со стороны молекулы, расположенной в ее центре.
Рис. 23. Сфера молекулярного действия.
Очевидно, что молекулы, находящиеся в толще жидкости, притягиваются соседними с одинаковой силой во всех направлениях. Благодаря этому силы притяжения взаимно уравновешиваются и никак не сказываются на поведении молекул.
Иначе будет обстоять дело у молекул, лежащих вблизи поверхности. Для них область, в которой сказывается взаимное притяжение, будет частично заполнена жидкостью, а частично — паром (рис. 24).
Рис. 24. Молекулы в поверхностном слое жидкости.
В каком-либо объеме жидкости молекул в тысячи раз больше, чем в таком же объеме пара, и поэтому силы молекулярного притяжения не могут в этом случае быть уравновешены. Сила, действующая со стороны той части, которая заполнена жидкостью, гораздо больше противоположной ей, направленной в сторону пара. В результате прилегающий к поверхности слой будет с большой силой притягиваться молекулами, лежащими в глубине жидкости. Это равносильно добавочному давлению, как бы оказываемому поверхностным слоем на жидкость. Можно даже подсчитать, какое нужно было бы приложить давление, чтобы удержать молекулы жидкости в занимаемом ими объеме, если бы внезапно они перестали притягивать друг друга. Результат этих расчетов многим покажется удивительным. Молекулярное притяжение частиц воды равносильно добавочному давлению в 17 000 атмосфер. Для сравнения укажем, что такое давление оказывает столб воды высотою 170 километров.
Давление, вызванное притяжением частиц, называют молекулярным давлением.
Невольно возникает вопрос: почему такие большие давления как будто никак не проявляются? Почему мы можем опустить руку в воду, не опасаясь, что она будет мгновенно раздавлена? Понять это помогает рисунок 25.
Рис. 25. Молекулярное давление всегда направлено в глубину жидкости и уравновешивается взаимным отталкиванием частиц.
Молекулярное давление всегда направлено от поверхности жидкости в ее глубину и уравновешивается взаимным отталкиванием частиц. Поэтому, какой бы предмет ни погрузить в жидкость, молекулярное давление не будет на нем сказываться. Чтобы почувствовать присутствие молекулярного давления, надо изменить расстояние между молекулами, например уменьшить объем жидкости — сжать ее.
Теперь ясно и то, почему так трудно сжать жидкость, — она и в обычном состоянии уже очень сильно сжата взаимным притяжением частиц.
Можно продемонстрировать притяжение молекул еще более убедительно. Жидкость оказывает большое сопротивление попыткам ее разорвать. В этом сопротивлении разрыву жидкости наглядно проявляются силы сцепления молекул.
Особенно просто это можно показать с помощью прибора, изображенного на рисунке 26.
Рис. 26. Прибор для определения сопротивления жидкости разрыву.
Основной частью его является особая упругая трубка, называемая сильфоном. Сильфон заполняется жидкостью и закрывается имеющимся внизу игольчатым затвором. Верхний конец прибора закрепляется. Постепенно увеличивая вес гирь на чашке, подвешенной к нижней части прибора, жидкость растягивают до тех пор, пока она не разорвется. Разрыв жидкости легко заметить по характерному щелчку, которым он сопровождается.