Страница 73 из 89
§ 5. Системы равновесия
Выражением структурной устойчивости является «закон равновесия», формулированный А. Л. Ле-Шателье для физических и химических систем, но в действительности тектологический, т. е. универсальный.
Системой равновесия можно назвать такую, которая сохраняет свое данное строение в данной среде. Обычная иллюстрация — весы в их спокойном состоянии. Если на одну чашку их произведено давление, например положена гирька, то эта чашка начинает опускаться, другая — поднимается, а коромысло из горизонтального становится наклонным: структурное изменение. Но по мере того, как оно происходит, в самой системе возникает противодействие ему: чашка с гирькой падает с замедлением и только до известного предела, за которым начинается даже обратное движение, а после колебаний устанавливается новое, измененное равновесие, определяемое простыми механическими условиями.
Иллюстрация более сложная: вода и лед в одном сосуде при 0 °C, т. е. при температуре замерзания и таяния. Если нагревать сосуд, то часть льда поглощает притекающую тепловую энергию, переходя в воду, и этим противодействует нагреванию: температура смеси поддерживается прежняя, пока не растает весь лед. А если, вместо нагревания ту же смесь подвергнуть повышенному давлению, то часть льда, переходя опять-таки в воду, объем которой меньше, тем самым противодействует повышению давления внутри смеси. Смесь жидкой и твердой ртути в случае нагревания реагирует также таянием, противодействующим изменению температуры; но на повышенное давление реакция противоположная — часть ртути замерзает. Почему? Потому что ртуть, как и огромное большинство тел, в твердом виде занимает объем меньший, чем в жидком, и следовательно, росту давления в смеси противодействует не таяние, а замерзание ртути; оно и происходит; вода, по исключению, представляет противоположные отношения объема, поэтому то же противодействие достигается обратным путем.[129] Если в насыщенном растворе какой-нибудь соли находятся ее кристаллы, то, нагревая систему, или охлаждая ее, или варьируя давление, мы получим дальнейшее растворение и осаждение с поглощением, выделением теплоты, изменением объема и давления в сторону, обратную нашему воздействию. Электрон, движущийся с постоянной скоростью в эфире, при всяком изменении этой скорости получает «дополнительную массу» в соответственном направлении; т. е. в системе «эфир — электрон» возникает противодействие изменению скорости. Если в электрическом проводнике циркулирует постоянный ток, то всякое изменение этого тока вызывает так называемую самоиндукцию, которая направлена противоположно этому изменению, уменьшает его и т. п.
Закон Ле-Шателье формулируется так: если система равновесия подвергается воздействию, изменяющему какое-либо из условий равновесия, то в ней возникают процессы, направленные так, чтобы противодействовать этому изменению.
Уже давно из опыта известно, что закон этот действителен не только для физических и химических систем, но и для многих других. Так, живые организмы в обычных условиях относятся к внешним воздействиям подобным же образом. Если человеческое тело подвергать охлаждению, в нем немедленно начинают усиливаться окислительные и другие химические процессы, развивающие теплоту; если же нагревать его извне, то повышается потоотделение с испарением, поглощающим теплоту. Таков же смысл «съеживания» от холода, причем уменьшается поверхность охлаждения; и когда черепаха прячется при всяких неблагоприятных влияниях в свой щиток, это опять-таки уменьшение поверхности внешнего воздействия. Согласно закону Вебера — Фехнера по мере роста внешнего раздражения ощущение растет не в такой же мере, а только пропорционально его логарифму, т. е. сравнительно все медленнее;[130] это означает, что вместе с силой внешнего раздражения возрастает все быстрее сопротивление ему, так что до нервных центров энергия наиболее сильных раздражений доходит в наименьшей доле, иначе эти центры с их тонкой чувствительностью, зависящей от нежного строения, быстро разрушались бы. Так, наше зрение еще воспринимает свет звезды 6-й величины; но световое раздражение от солнечного диска приблизительно в десять миллионов триллионов (1013) раз значительнее: какой мозг был бы способен выдерживать непосредственно такие различия силы воздействий?
Можно путем простого анализа показать, что закон равновесия применим ко всякой системе, сохраняющей данное строение в данной среде. Начнем со сравнительно простого и весьма типичного примера — системы «вода и лед при 0 °C». Пусть она подвергается нагреванию. Согласно современной научной символике это значит, что колебания молекул в окружающей среде становятся более энергичными, а их удары, передающиеся молекулам воды и льда, — более сильными. Эта энергия движения частиц, выражающаяся в их «температуре», есть активность одного порядка с их сцеплением, способна с ним конъюгировать, парализуя его. Так здесь и происходит.
Нагревшиеся молекулы воды своими усилившимися ударами передают избыток своей энергии движения пограничным молекулам льда. Избыток этот парализуется активностями сцепления льда, пока не уравняется с ними; а тогда получается полная дезингрессия, которая, как мы знаем, вызывает разрыв связи: поверхностная частица льда отрывается, переходит в массу жидкой воды. Вся избыточная тепловая энергия, приобретенная частицей до того момента, ушла на борьбу с активностями сцепления, на то, чтобы парализовать их: поэтому кинетическая энергия самой частицы оказывается не больше, чем была, и по-прежнему измеряется температурой 0 °C. То же происходит и со следующими частицами льда. Таким образом, при нагревании общей массы воды в пограничной со льдом области поддерживается прежний уровень 0 °C, противодействуя этому нагреванию, пока не исчезнет весь лед.
Если дело идет не о нагревании, а о повышающемся давлении, то это означает, что кинетическая энергия частиц окружающей среды в среднем для каждой частицы не увеличивается, но увеличивается число их ударов, действующих на пограничную область данной системы. И здесь от частиц к частицам прибавляющиеся активности давления передаются внутрь ее. Они увеличивают частоту столкновений между частицами, стремясь тем самым уменьшить размах их движений. И опять-таки эти вливающиеся активности способны конъюгировать и вступать в дезингрессию с сцеплением молекул льда; при дезингрессии они отрывают их и присоединяют к жидкости, а так как объем воды меньше, чем объем льда, то давление тем самым уменьшается.
Но, как уже упоминалось, вода — исключение. Если взять другую подобную систему, например «твердая ртуть — жидкая ртуть», то наблюдается прямо противоположное. Добавочные активности давления вступают в дезингрессию не со сцеплением частиц твердого тела системы, а с активностями, противодействующими сцеплению в жидкости. Давление уменьшает амплитуду (размах) движения частиц жидкости, так что эта амплитуда становится меньше расстояния между частицами, и они колеблются, уже не заходя друг за друга, не перемешиваясь свободно, а удерживаясь около одного среднего положения: так именно движутся частицы твердого тела. Происходит замерзание некоторой доли жидкости; при этом объем ее, однако, уменьшается, что, как в предыдущем случае таяния льда, уменьшает давление.
Почему же активности одного рода — сила давления — парализуют путем дезингрессии в двух разных случаях не одинаковые, а прямо противоположные активности, как бы выбирая те, которые надо, по закону Ле-Шателье? Дело именно в выборе и есть, только не в сознательном, разумеется, а в стихийном подборе.
Молекулярные движения научная теория представляет в виде бесчисленных и разнообразно направленных «бесконечно малых» активностей. Если в систему вступают извне новые такие активности, то, очевидно, следует принять всевозможные их сочетания с прежними, всевозможные элементарные их столкновения, их конъюгации, дезингрессии. Но из этих сочетаний одни будут устойчивы, другие — неустойчивы; первые будут удерживаться, вторые — устраняться подбором.
129
Исключительные свойства воды объясняются тем, что жидкая вода не есть просто химическое соединение, а раствор льда в пропорциях, изменяющихся с температурой и давлением, — подчиненный, следовательно, законам растворов.
130
Иначе: если первое увеличивается в геометрической прогрессии, например 1:2:4:8:16:32 и т. д., то второе—в арифметической, т. е., например, соответственно 1:2:3:4:5:6. Соотношение лишь приблизительное.