Сила разуплотнения поверхностного слоя жидких, твердых и газообразных веществ (стр. 14 )

3.2. Температурная составляющая СРПС на границе жидкости с паром

На контакте с газом молекулы жидкости образуют постепенный переходный слой. Существование нечеткой расплывчатой границы между жидкостью и газом отмечал еще Ван-Дер-Ваальс в конце ХIХ века. Наличие такого слоя признается почти всеми последующими исследователями поверхностных явлений (Русанов, 1960; Фишер, 1961; Гиршфельдер и др., 1961; Оно и др., 1963; Джапаридзе, 1976; Крокстон, 1978; Джейкок и др., 1984), включая также, как отмечено выше, и А. Адамсона. По существу, дискуссии ведутся только о толщине этого переходного слоя и о том, осуществляется этот переход плавно или ступенчато. Но никем дополнительно не исследовался молекулярно-кинетический механизм формирования этого слоя, поскольку как постулат принималось ошибочное представление о формировании поверхностного натяжения только за счет втягивания молекул ван-дер-ваальсовыми силами и все здесь казалось понятным. Но если обратить внимание на ошибочность вышеуказанных представлений, вся цепочка доказательств требует пересмотра, приходится искать новое объяснение, которое я и предлагаю. Оно заключается в следующем.

Механизм создания поверхностного слоя можно представить в виде следующей модели. Если сложить много намагниченных шариков в виде кружка на ровной поверхности, то, как отмечалось выше, никакого поверхностного натяжения они испытывать не будут. Но если молоточками ударять по краевым близповерхностным шарикам со стороны центра кружка так, чтобы их выбивать за его пределы, но не далее расстояния действия магнитных сил, так, чтобы шарики, притягиваясь, возвращались назад после каждого удара, то в этом случае возникает поверхностный разуплотненный слой, где магнитные силы будут создавать реально действующее притяжение между шариками. Это притяжение будет собирать их вместе, создавая слой с реально действующим поверхностным натяжением, стягивающим всю массу шариков как упругая эластичная пленка, стремящаяся собрать их сферическую фигуру с плавными закругленными контурами, подобно каплям воды.

Сила и величина разуплотнения этого поверхностного слоя будет равна силе и частоте ударов по крайним шарикам, и количеству молоточков, ударяющим по ним.

Некоторое подобие модели формирования разуплотненного поверхностного слоя воды можно наблюдать на примере сильного проливного дождя. В этот момент капли дождя, отскакивая от плоской поверхности (асфальта или крыши дома), покрытой тонким слоем воды, образуют слой брызг, плотность которых постепенно уменьшается по мере удаления от поверхности. Такой слой хорошо виден на темном фоне деревьев, растущих возле дома. Это весьма близкий аналог того, как формируется поверхностное разуплотнение жидкости на микроуровне. Здесь падающие капли дождя с силой отскакивают от крыши, разбиваются на многочисленные брызги и, захватывая часть воды из поверхностного слоя, стекающего с крыши, создают слой брызг, плотность которого варьирует в зависимости от плотности самой воды на поверхности крыши до редких брызг на расстоянии 10-20 см от нее. Если бы брызги еще обладали свойством притягиваться друг к другу, то это была бы полная модель формирования поверхностного слоя.

Еще одну модель формирования поверхностного слоя можно показать, используя понятие о вероятностном контуре свободного пробега молекулы. В поверхностном слое жидкости вероятностный контур свободного пробега, которым здесь является контур флюктуационного скачка, обращен не внутрь жидкости, а наружу (рис. 10). Это связано с тем, что молекулы, расположенные на поверхности воды, способны делать скачок не в глубь воды, а только наружу, в сторону воздуха. Как показано выше, причина скачков в том, что молекулы разгоняются за счет ударов о них соседних (расположенных сзади) молекул до такой скорости, когда они способны совершить скачок, т. е. “прострел” сквозь массу молекул жидкости, расталкивая их. Молекулам, расположенным на поверхности (со стороны газа), ничто не может придать такого ускорения и направить их внутрь жидкости вследствие отсутствия с этой стороны ее молекул. А со стороны жидкости такое ускорение создается легко, и молекулы делают скачки в сторону газа, вылетая за пределы поверхности на расстояние, которое позволяют сделать дальнодействующие ван-дер-ваальсовы силы притяжения молекул. Если величина скачка больше интервала действия этих сил, то молекулы вылетают в газ, осуществляя испарение жидкости, а если меньше – то своим временным появлением за ее пределами они принимают участие в разуплотнении жидкости. Чем глубже в жидкости располагается молекула, тем больше со стороны поверхности слой молекул, способных разогнать ее до скорости, достаточной для флюктуационного скачка в направлении также и внутрь жидкости. В этом случае вероятностный контур приобретает конфигурацию асимметричного эллипсоида вращения с центром, смещенным внутрь жидкости (см. рис. 10). Значит, хотя для молекулы появляется возможность сделать скачок в глубь жидкости, вероятность этого скачка меньше и (или) также меньше его длина. Следовательно, каждая молекула будет меньше задерживаться при скачке в глубь поверхностного слоя и дольше задерживаться при скачке наружу, создавая таким образом ускоренное движение в этом направлении и, следовательно, разуплотнение поверхностного слоя.

Рис. 10. Вероятностные контуры флюктуационных скачков молекул жидкости на границе воды (штрихи) с воздухом (точки); d – интервал формирования поверхностного слоя воды

В соответствии с предложенными моделями разуплотнение в поверхностном слое создается за счет скачков молекул из жидкости в сторону газа. Но совершать такие скачки могут только молекулы, обладающие избыточной энергией, достаточной, чтобы преодолеть их ван-дер-ваальсово взаимное притяжение и создать дырки (пенистые буруны) в глубине жидкости, а попав на поверхность, некоторые из них могут даже вылететь за пределы жидкости, приняв участие в ее испарении. Примерно так же покидают Землю только космические ракеты, которым придана энергия, достаточная для их разгона с первой или второй космической скоростью, чтобы преодолеть притяжение гравитации.

Следовательно, если вообразить себе, что в пределах разуплотненного слоя мгновенно появилась какая-то плоскость, параллельная поверхности жидкости, то об эту плоскость одновременно ударяется огромное количество молекул, обладающих “космическими скоростями”. Значит, нетрудно себе представить, что все удары создадут давление на эту плоскость и будут стремиться отодвинуть ее от жидкости, т. е. возникнет огромное давление. Это давление равно по силе температурному расширению жидкости, так как его тоже создают именно наиболее высокоэнергичные молекулы, которые, делая “прострелы” в жидкости, т. е. “пенистые буруны”, разуплотняют ее.

В отношении величины силы, с которой Т-СРПС создает разуплотнение поверхностного слоя, можно сказать следующее. Известно, что каждый квадратный сантиметр поверхности воды притягивается в глубь жидкости ван-дер-ваальсовыми силами с силой около 15 000 атм. (Писаренки и др., 1961). Это так называемое внутреннее давление. Значит, Т-СРПС, создавая разуплотненный слой, преодолевает это давление так же легко, как молекулы в процессе своих флюктуационных скачков создают дырки или “пенистые буруны”, раздвигая массу молекул, т. е. “простреливая” ее. Но эти скачущие молекулы не только преодолевают внутреннее давление, но способны также произвести увеличение объема жидкости с известной силой температурного расширения. Следовательно, с такой же силой температурного расширения создает разуплотнение поверхности и Т-СРПС, т. е. 15 000 атм. плюс собственная сила температурного расширения. Первая слагаемая силы идет на преодоление ван-дер-ваальсовых сил внутреннего притяжения молекул, а вторая – на создание внешней работы по отодвиганию друг от друга контактирующих фаз.

Это давление, создаваемое молекулами в процессе их флюктуационных скачков в сторону газа, и будет являться температурной составляющей силы разуплотнения поверхностного слоя жидкости – Т-СРПС. Непосредственно оно проявляется, когда поверхность жидкости увеличивается при ее растекании и к новым ее участкам подходят глубинные более плотные слои жидкости, которые здесь разуплотняются с силой температурного расширения, создавая давление на обе контактирующие фазы веществ. Величина Т-СРПС зависит в основном от температуры, возрастая с ее повышением. Вклад в эту величину ван-дер-ваальсовых сил, притягивающих молекулы к нижней границе поверхностного слоя и этим создающих поверхностное натяжение, является совершенно незначительным. Эти силы отличаются так же, как сила температурного расширения, способная сгибать стальные рельсы, отличается от силы поверхностного натяжения, способной только удерживать каплю воды на конце пипетки.

3.3. Температурная составляющая СРПС в жидкости на ее границе с твердыми веществами

Разуплотненное состояние жидкости на границе с твердыми веществами подтверждено экспериментально для случая контакта воды с минералами глин (De Wit et al., 1950; Mooney et al., 1952; Anderson, Low, 1958; Martin, 1962; Deeds et al., 1961; Bradley, 1959; Хант, 1982).

Правда, исследователями отмечается, что постановка точного опыта по определению приконтактовой плотности очень сложна, поэтому подобных экспериментов мало и они нередко противоречивы (Злочевская, 1969; Квливидзе и др., 1988; Железный, 1974). Имеются некоторые данные и по повышенной плотности воды в контакте с твердыми веществами. Например, и др. (1971) экспериментально установили, что вода, сконденсированная из паровой фазы в кварцевых капиллярах диаметром от 10 до 100 мкм, имела плотность 1,4 г/см3, повышенную вязкость и ряд других аномальных свойств. Авторы назвали такую воду аномальной водой или водой П. По сведениям А. Адамсона (1979; с. 264), эти опыты были повторены в различных лабораториях Англии и США и в основном подтвердились. Вокруг аномальной воды развернулась бурная полемика. Правительственные фонды этих стран оказали исследователям аномальной воды существенную поддержку. Шли разговоры о получении литров аномальной воды для технических нужд. Сведения о ней попали даже на страницы популярной печати. Ее предложили назвать “поливодой”. Было высказано предположение о гексагональной полимерной структуре аномальной воды и разработана соответствующая теория. Большинство работ на Национальном симпозиуме по коллоидной химии (США) в 1970 г. было посвящено этой аномальной воде.