Страница 11 из 23
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.
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.