Сила разуплотнения поверхностного слоя жидких, твердых и газообразных веществ (стр. 15 )

Но потом, когда с помощью новых методов определили химический состав воды П, оказалось, что все эти ее свойства вызваны значительной примесью в ней кремнезема и других компонентов, которые выщелачивались из стенок стеклянных или кварцевых капилляров. Особенно интенсивно вода выщелачивает свежую поверхность в свежетянутых капиллярах.

История со сверхплотной водой закончилась в 1974 г. когда и др. опубликовали в зарубежном журнале статью, в которой сами признали ошибочность своих представлений, отметив, что аномальная вода представляет собой смесь, включающую коллоидные и молекулярные растворенные примеси.

(1982) косвенными методами (с использованием: 1) приведенных значений константы диссоциации связанной воды, 2) предложенной (1969) направленности изменения свойств связанной воды в том же направлении, которое наблюдается при увеличении температуры, 3) известного уравнения Вант-Гоффа) рассчитаны некоторые параметры, в том числе и плотность воды в контакте с монтмориллонитовой глиной, равной 1,4 г/см3. Однако другие исследователи отмечают, что такая высокая плотность в контакте с ней не подтверждена экспериментальными работами (Квливидзе и др., 1988).

Разуплотненное состояние воды в контакте с твердыми веществами показано на основе расчетных методов статистической механики (Фишер, 1961) (рис. 11).

Рис. 11. Микроплотность F­1(z) в одномерной модели жидкости возле идеальной стенки

Поэтому в целом, несмотря на некоторую противоречивость представлений о плотности воды у границы с твердым телом, более достоверны результаты экспериментов и расчетов, свидетельствующие о разуплотненном ее состоянии здесь. Кроме того, если принять во внимание отмеченный выше механизм разуплотнения поверхностного слоя жидкости на границе с газом, то представляется несомненным, что подобный же механизм должен существовать на границе жидкости с твердым телом, только как бы в зеркальном отражении в глубь жидкости. Рассмотрим этот механизм.

В поверхностном слое жидкости, на границе с твердой фазой, молекулы, совершая скачки, уменьшают длину этих скачков со стороны поверхностной границы, когда они приближаются к ней на расстояние, меньшее длины одного скачка. Это показано выше на примере газов с помощью вероятностного контура свободного пробега молекул. Аналогом этого пробега являются их скачки в жидкости. Такое сокращение длины их скачка приводит к тому, что они задерживаются меньше здесь, чем при скачке в обратном направлении от границы, и поэтому возникает тенденция к ускоренному удалению молекул от границы раздела фаз. Чем ближе к границе, тем быстрее осуществляется ускорение. Однако возвращение молекул происходит несколько позднее их скачка, так как это не одновременные процессы. Сначала совершается скачок, создавая изменение плотности жидкости, а затем уже эту плотность жидкость стремится выровнять. Примером этого являются сами “пенистые буруны”, когда жидкость не успевает смыкаться позади скачущих молекул. Чем быстрее и, следовательно, чаще молекулы удаляются от границы раздела фаз, тем большее количество интервалов между приходом и уходом молекул, тем большее количество вакуумных пустот будет накапливаться, когда одна молекула ушла, а другая на ее место еще не пришла. Поэтому в поверхностном слое создается пониженная концентрация молекул жидкости, т. е. их разуплотнение. Жидкость в поверхностном слое как бы вспенивается. Причем это вспенивание осуществляется мгновенно, как только жидкость приходит из глубинных слоев в поверхностный. Практически это осуществляется при растекании жидкости по поверхности, когда увеличивается площадь поверхностного слоя. При этом из глубины жидкости подходят новые слои, которые и наращивают поверхностный слой, разуплотняясь при этом.

Значит, если на контакте с газом поверхностный слой разуплотняется и расширяется в сторону газа, практически не встречая сопротивления, то у стенки этот слой вынужден по тем же законам расширяться в глубь жидкости. Но поскольку жидкость является несжимаемым веществом, при возникновении новых участков слоя она вынуждена будет с силой отжиматься от стенок, увеличивая свой объем в сосуде. Подобное разуплотнение и расширение жидкости вполне осуществимо, так как в момент создания новых участков поверхностного слоя система является открытой. Таким образом, жидкость не находится в закрытом сосуде, а существует в свободном объеме, где возможно ее растекание. Этот объем она может заполнить в случае увеличения ее собственного объема при разуплотнении поверхностного слоя, преодолев только гравитационную силу веса самой жидкости.

Здесь следует подчеркнуть, что в данном случае речь идет не об уплотнении самой жидкости, которая является практически несжимаемой, а о выдавливании ее в свободное пространство сосуда, в котором она заключена.

Механизм создания поверхностного слоя жидкости у твердых стенок можно изобразить в виде модели магнитно притягивающихся друг к другу подпрыгивающих шариков в сосуде с магнитными стенками и сетчатым дном. Если шарики лежат спокойно на дне сосуда, то никакого состояния натяжения они не испытывают, так как, располагаясь плотно, они могут только скользить относительно друг друга вдоль своих поверхностей, которые не позволяют им сближаться еще больше, а для удаления не создается соответствующих условий. По существу, поверхность шариков соответствует равнодействующей между короткодействующими и ван-дер-ваальсовыми силами взаимодействия в жидкости.

Однако если снизу со стороны сетчатого дна ударять молоточком по отдельным шарикам так, чтобы они подпрыгивали, то в слое шариков будет создана новая ситуация. Подскакивая вверх, шарик позади себя создает пустоту – “пенистый бурун”, который сразу не может заполниться шариками, так как для этого необходимо какое-то время. Чем больше шариков подпрыгивает, тем больше таких пустот создается в слое за единицу времени. Следовательно, между шариками появляется свободное пространство и они переходят в состояние реального действия сил натяжения. Иначе говоря, спокойно лежащее шарики физически испытывают такое притяжение, но оно никак реально не проявляется, а в слое с подпрыгивающими шариками притяжение между ними реально проявляется как стягивающая сила, действующая на стенки сосуда, и ее можно конкретно замерить. При подпрыгивании шариков увеличивается толщина образуемого ими слоя за счет его разуплотнения. Причем это увеличение осуществляется с силой, пропорциональной суммарной силе ударов по шарикам снизу.

Следовательно, в целом при формировании слоя с подпрыгивающими шариками происходит действие, подобное деформации твердого тела, т. е. поперек него в слое действует растягивающая сила, а в касательном направлении к нему – стягивающая сила, вызванная этим растяжением, т. е. именно сила, заставляющая шарики подскакивать, создает растяжение и расширение слоя поперек и стягивание его в касательном направлении.

Если стенки сосуда с подпрыгивающими магнитно притягивающимися шариками раздвинуть, т. е. увеличить площадь слоя, то шарики из верхних частей перейдут в нижние и слой сделается тоньше. Но степень разуплотнения слоя, т. е. расстояние между шариками, не изменится, так как оно будет восполняться приходом шариков из вышележащих слоев при том же удельном количестве подпрыгивающих шариков на единицу площади. Также не изменится удельная сила натяжения на единицу площади поперечного сечения слоя. А если при этом добавить в сосуд шарики до прежней толщины слоя, то при этом расширении сосуда не изменится и общая сила натяжения между шариками.

Это в точности согласуется с тем, как течет вода. Она может свободно увеличивать свою поверхность, но при этом испытывая постоянное и одинаковое стремление с определенной силой поверхностного натяжения стягивать эту поверхность, так как при растяжении к ней подходят все новые слои из глубинных частей.

В связи с тем что разуплотнение поверхностного слоя жидкости на границе с твердыми стенками сопровождается увеличением объема поверхностного слоя и это увеличение передается на всю жидкостью, здесь возникает реально действующая огромная сила. Если на границе с газом эта сила, образно говоря, уходит в пустоту, так как газ легко сжимается и без всяких последствий воспринимает увеличение объема поверхностного слоя, то на границе с твердым веществом давление передается на практически не сжимающиеся контактирующие фазы – твердое вещество и жидкость. Практическое влияние этого давления будет показано ниже при объяснении эффекта Ребиндера, действующего в микропорах и микротрещинах.

3.4. Результаты действия температурной составляющей СРПС воды

3.4.1. Приобретение поверхностным слоем воды некоторых свойств твердого тела

Любое твердое тело обладает свойствами с определенной силой сопротивляться растяжению в продольном направлении и сдавливаться в поперечном направлении. Поэтому главной его механической характеристикой является прочность на сдавливание и растяжение. Такими же свойствами обладает поверхностный слой жидкости, обладающий поверхностным натяжением, расклинивающим давлением, повышенной вязкостью и создающий трение на своей границе с другими веществами. Рассмотрим последовательно эти свойства.

3.4.1.1. Формирование поверхностного натяжения как силы, противодействующей растяжению поверхностного слоя в продольном направлении

Описанный выше механизм формирования поверхностного натяжения жидкости заключается в том, что тепловое молекулярно-кинетическое движение молекул создает разуплотнение поверхностного слоя, который приобретает свойства натянутой пленки, стягивающей жидкость за счет приведения в реальное стягивающее действие ван-дер-ваальсовых сил притяжения между молекулами.

Разуплотнение жидкости в поверхностном слое ведет к созданию нового состояния в ней. Если в объеме жидкости молекулы совершают колебательные движения в среднем около равнодействующей между ван-дер-ваальсовыми силами притяжения и короткодействующими силами отталкивания (имея в виду, что эта средняя точка асимметрично смещена в сторону короткодействующих сил), то в поверхностном слое эта средняя амплитуда смещена в сторону большего действия сил притяжения, которые стремятся стянуть их, создавая таким образом напряженные взаимоотношения. Это подобно тому, как натянутый резиновый жгут отличается большей упругостью и твердостью от ненатянутого. При этом на рис. можно видеть, что сила притяжения резко возрастает по мере удаления молекул от равнодействующей точки на некоторое небольшое расстояние и только потом, переходя максимум, начинает уменьшаться. Наибольшей величины поверхностное натяжение достигает, когда расстояние между молекулами приходится на этот максимум действия сил и это действие уменьшается при увеличении расстояния.