Страница 16 из 23
Означает ли это, что молекулы жидкости потеряли способность отрываться от поверхности и переходить в пар? Нет, конечно. Быстро движущиеся частицы жидкости по-прежнему покидают ее, но только теперь этот процесс компенсируется встречным — переходом молекул пара в жидкость, или, как говорят, конденсацией пара.
Постараемся лучше понять происходящее явление.
Как мы знаем, молекулы жидкости сравнительно редко отрываются от ее поверхности. Это удается примерно только одной из тысячи частиц, пытающихся покинуть жидкость. Девятьсот девяносто девять остальных возвратятся обратно, — их остановит притяжение соседей.
Молекулы пара, двигаясь беспорядочно, так же как и молекулы жидкости, ударяются о ее поверхность. Внешне оба явления весьма сходны, но достаточно внимательно присмотреться к ним, чтобы заметить существенное различие.
Предположим, что одна из частиц пара приближается к поверхности жидкости. Молекул пара, стремящихся удержать ее, немного. Когда частица достигнет поверхности, притяжение молекул жидкости будет гораздо больше, чем притяжение молекул пара. Если только поверхность жидкости ничем не загрязнена, то практически каждый удар частицы пара о поверхность сопровождается переходом ее в жидкость. Когда жидкость только что налита в какой-либо сосуд и последний плотно закрыт, то первоначально в парообразном состоянии молекул немного и покидает жидкость больше частиц, чем приходит за то же самое время из части сосуда, наполненной паром, — жидкость испаряется.
По мере испарения число молекул в парообразном состоянии увеличивается, а одновременно растет и число ударов их о поверхность жидкости: скорость конденсации возрастает.
Скорость же испарения, если температура жидкости не изменяется, остается постоянной, и совершенно ясно, что рано или поздно скорость конденсации, возрастая, сделается равной скорости испарения. В каждое мгновение жидкость будет терять столько же частиц, сколько поступает в нее из пара. Испарение как бы прекратится.
Теперь становится понятным и то, почему плотность жидкости всегда значительно больше плотности ее пара.
Для того чтобы число испаряющихся молекул сделалось равным числу конденсирующихся, необходимо, чтобы в каждое мгновение о поверхность, разделяющую жидкость и пар, ударялось гораздо больше частиц жидкого вещества, чем парообразного. А так может обстоять дело только в том случае, если плотность пара много меньше плотности жидкости. Равновесие наступает тогда, когда между плотностями пара и жидкости устанавливается определенное соотношение. Это соотношение изменяется при изменении температуры; при каждой температуре для каждой жидкости оно имеет определенную величину. Иными словами, испарение жидкости в закрытом сосуде продолжается до тех пор, пока не установится определенное давление пара, при котором скорости испарения и конденсации выравниваются.
Обычно испарение происходит только с поверхности жидкости, но при некоторых условиях пузырьки пара образуются и внутри нее. Это наблюдается при такой температуре, когда давление пара жидкости делается равным атмосферному давлению. Температуру, при которой происходит образование пузырьков пара внутри жидкости, называют температурой кипения, а само явление — кипением.
Каждое вещество имеет свою собственную температуру кипения. Температура кипения воды при нормальном давлении принята за 100 градусов. Эфир кипит при 34,6 градуса, спирт — при 78,3 градуса, ртуть — при 357 градусах.
Когда жидкость кипит, температура ее остается постоянной до тех пор, пока вся она не испарится.
На практике часто наблюдается задержка в возникновении кипения, когда необходимая температура уже достигнута, а жидкость не кипит. Такая жидкость называется перегретой. Перегретая жидкость неустойчива: спустя некоторое время она бурно вскипает, — жидкость толчком подбрасывается вверх.
Особенно часто перегревается жидкость при длительном кипячении, когда из нее удаляется растворенный в ней воздух, мельчайшие пузырьки которого облегчают закипание, делают кипение спокойным.
Химики, которым часто приходится длительно кипятить жидкости, научились предупреждать перегрев. Оказывается, достаточно бросить в колбу с нагреваемой жидкостью кусочки фарфора, маленькие металлические пирамидки или обрезки стеклянных трубочек, чтобы кипение происходило спокойно.
Нетрудно догадаться, в чем причина этого. Между острыми краями кусочков фарфора или металлических пирамидок оказываются зажатыми очень тонкие слои жидкости, легко перегревающиеся и создающие пузырьки пара, необходимые для равномерного кипения. Таким способом, создавая искусственно местные небольшие области перегретой жидкости, удается избежать перегрева всей массы вещества. Важную роль в предупреждении перегрева играют также газы, заключенные в порах кусочков фарфора: они облегчают возникновение пузырьков пара нагреваемой жидкости.
Температура кипения зависит от внешнего давления. Понижение давления вызывает понижение температуры кипения. В местностях, расположенных высоко над уровнем моря, атмосферное давление ниже нормального; поэтому там вода кипит уже не при 100 градусах, а при более низкой температуре.
Город Ереван расположен на высоте 950-1 200 метров над уровнем моря, — в Ереване вода кипит приблизительно при температуре 96–97 градусов.
Увеличение внешнего давления вызывает повышение температуры кипения. В паровом котле, в котором давление 10 атмосфер, вода кипит при температуре приблизительно 180 градусов.
Так как жидкость не может существовать при температуре выше критической, а последняя для воды 374 градуса, то нельзя построить паровой котел, который работал бы при температуре еще более высокой. Температуре 374 градуса соответствует давление пара приблизительно 218 атмосфер. Это наивысшее давление, достижимое в паровых котлах, работающих на воде.
Вязкость
Сказочные успехи достигнуты наукой за последние сто лет. Развитие электротехники, поставившее на службу человеку энергию рек и водопадов, завоевание воздуха, изобретение радио, овладение неисчерпаемыми запасами ядерной энергии и многие другие достижения техники, — их все невозможно даже перечислить, — никогда бы не стали реальностью, если бы не опирались на бурное развитие всех отраслей знания. Поэтому неудивительно, если иногда у человека возникает мысль о том, что какое-либо явление природы он изучил полностью и ничего нового в нем уже открыть нельзя.
Эта мысль ошибочна!
Природа бесконечна, и познание ее никогда не остановится. Не составляет исключения и атомное учение. И в этой очень старой области знания имеется еще много неизвестного. За примерами не надо ходить далеко. Достаточно указать, что до сих пор мы не можем удовлетворительно объяснить одно из важнейших свойств жидкости, называемое вязкостью.
В обыденной жизни слово «вязкость» употребляется очень часто. Мы говорим, например, что мед более вязок, чем подсолнечное масло, а подсолнечное масло, в свою очередь, более вязко, нежели вода.
Но как определить точно, что такое вязкость, как ее измерить?
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.