Жидкости

Способность течь придает жидкостям их структура: это промежуточное состояние между хаосом газов и молекулярной решеткой твердых тел. В газах молекулы обладают достаточной тепловой энергией, чтобы отрываться друг от друга и двигаться независимо. Это придает им динамичность – они расширяются, пока не займут весь свободный объем, – но в них нет почти никакой структуры. В твердых телах сила притяжения между атомами и молекулами намного превышает их тепловую энергию, заставляя их держаться вместе. Поэтому у твердых тел жесткая структура, но малая автономность молекул: когда вы берете со стола чашу, все ее атомы движутся вместе, как единый объект. Жидкости – промежуточное состояние между тем и другим. У атомов в них достаточно тепловой энергии, чтобы разорвать некоторые связи с соседями, но недостаточно, чтобы разорвать их все и стать газом. Они заперты в жидкости, но способны свободно двигаться в ее пределах. Это форма материи, в которой молекулы свободно плавают, образуя и разрывая связи друг с другом.

Среда, в которой существуют молекулы на поверхности жидкости, отличается от той, в которой существуют молекулы внутри ее. Молекулы на поверхности не окружены со всех сторон другими молекулами той же жидкости и поэтому образуют в среднем меньше связей, чем те, что находятся в толще жидкости. Неуравновешенность сил между поверхностью жидкости и ее толщей порождает напряжение – силу поверхностного натяжения. Она очень невелика, но достаточна, чтобы противодействовать силе тяготения для небольших объектов. Вот почему некоторые насекомые способны гулять по поверхности водоемов.

Водомерка на поверхности воды. © Alice Rosen

Посмотрите внимательно, как водомерка «ходит» по воде, и вы заметите, что та отталкивает ножки насекомого. Причина в том, что поверхностное натяжение между водой и ножками насекомого порождает силу отталкивания, которая противодействует тяготению. Некоторые виды взаимодействия жидкости и твердого тела имеют противоположный результат: они порождают силу молекулярного притяжения. Это относится, в частности, к воде и стеклу. Если взять в руку стакан с водой, можно увидеть, что ее край у границы со стеклом слегка приподнимается. Он называется мениском, и это тоже результат действия силы поверхностного натяжения.

Растения освоили этот фокус. Они втягивают воду наверх вопреки силе тяготения, из земли в свои тела, при помощи системы крохотных трубочек, которые проходят сквозь их корни, стебли и листья. Когда они становятся микроскопическими, отношение площади внутренней поверхности к объему жидкости увеличивается и описанный эффект усиливается. Потому-то производители продают тряпки для мытья окон из «микрофибры», в которой есть микроканалы, аналогичные микроканалам растений. Они всасывают воду, позволяя тряпке очищать стекло эффективнее. Мы можем вытирать пролитую жидкость с помощью кухонных салфеток благодаря тому же механизму. Всё это примеры капиллярного всасывания (капиллярного поднятия), того самого, что возникает под действием силы поверхностного натяжения и позволяет маслу взбираться вверх по веревке – точнее, по фитилю.

Без капиллярного поднятия свечи не могли бы гореть. Когда вы поджигаете фитилек, жар огня расплавляет вещество вокруг и создает лужицу расплавленного воска. Он поднимается по фитильку через микроканалы к пламени. Так он питает пламя новыми порциями жидкого воска, который и сгорает. Если подобрать для фитиля подходящий материал, пламя будет достаточно горячим, чтобы поддерживать существование лужицы жидкого воска и обеспечивать постоянный приток топлива. Эта обманчиво сложная система саморегулирующаяся и требует так мало внимания и вмешательства, что мы давно уже не воспринимаем свечи как техническое устройство, хотя, строго говоря, именно таковыми они и являются.

Тысячи лет по всему земному шару капиллярное поднятие было главным механизмом внутреннего освещения – и в свечах, и в масляных лампах. Без этих двух устройств мир по ночам погружался в темноту и мрак. Вполне ожидаемо, что лампы были популярны там, где в изобилии имеется какое-либо масло, а свечи – там, где проще было достать воск или животный жир. Однако, несмотря на хитрое устройство, у свечей и масляных ламп были свои недостатки: помимо их пожароопасности, еще и сажа, малая яркость пламени, запах и цена. Поэтому всегда находились люди, которые занимались поиском лучших, более дешевых и безопасных способов внутреннего освещения. Открытие Мухаммадом ар-Рази керосина в IX в. могло бы стать решением проблемы, если бы кто-нибудь до этого додумался.

Предполетный инструктаж по безопасности на борту авиалайнера был в разгаре, и теперь бортпроводники тоже игнорировали значение керосина. До сих пор его ни разу не упомянули, хотя в тот самый момент эту замечательную штуку впрыскивали в реактивные двигатели под крыльями лайнера, чтобы они вывели его на взлетную полосу. А бортпроводники говорили о том, что делать в случае «разгерметизации салона». Я, как англичанин, могу по достоинству оценить, мягко говоря, сдержанность этой фразы. Звучит не особенно впечатляюще, и кажется, что тут нет ничего страшного; на самом же деле, если во время крейсерского полета на большой высоте в обшивке салона внезапно появится дырка или трещина, из него будет быстро высосан воздух вместе со всеми, кто окажется в этот момент не пристегнут к креслу. После этого кислорода в воздухе останется недостаточно для нормального дыхания – отсюда маски, автоматически падающие с потолка. Самолет при этом должен немедленно начать крутой спуск на меньшие высоты, где кислорода в воздухе больше. И тогда каждый, кто доживет до этого момента, бесспорно, будет уже в безопасности.

Недостаток кислорода был серьезной проблемой и для древних масляных ламп. Их конструкция не обеспечивала приток к горящему фитилю количества кислорода, достаточного для полного сгорания топлива, и пламя лампы давало относительно мало света. Это было проблемой до XVIII в., когда швейцарский ученый по имени Ами Арганд изобрел новый тип масляной лампы, где фитиль в форме рукава был защищен прозрачным стеклом. Лампа была устроена так, что воздух мог проходить сквозь середину кольцевого пламени, и поступление кислорода к огню – а значит, эффективность и яркость устройства – радикально улучшились. Такая лампа по светимости была эквивалентна шести или семи свечам. Это изобретение повлекло множество других новшеств, и со временем стало ясно, что оливковое масло, как и другие растительные масла, – не идеальное топливо. Для более яркого света нужны более высокие температуры, для них – более быстрое капиллярное поднятие, а его скорость определяется поверхностным натяжением и вязкостью жидкости. Попытки найти дешевые масла с низкой вязкостью вдохновили ученых на множество экспериментов и, как ни печально, вызвали гибель множества китов.

Добыча кашалота. Джон Уильям Хилл (1835). © Yale University Art Gallery

Китовая ворвань получается при кипячении полос китового жира. Масло, которое вываривается из него, отличается чистым медовым цветом. Оно не слишком хорошо подходит для готовки или собственно в пищу из-за сильного рыбного запаха, но имеет низкую вязкость, а точка возгорания у него равна 230°C. Поэтому ворвань очень хороша для масляных ламп.

Использование ворвани в лампах Арганда резко подскочило в конце XVIII в., особенно в Европе и Северной Америке. В 1770–1775 гг. китобои Массачусетса, пытаясь удовлетворить растущий спрос, производили по 45 000 бочек китовой ворвани ежегодно. Охота, подпитываемая нуждой во внутреннем освещении, стала настоящей индустрией, и некоторые виды китов оказались почти полностью истреблены ради удовлетворения этой потребности. По разным оценкам, к началу XIX в. ради добычи жира было убито более четверти миллиона китов.