Сила разуплотнения поверхностного слоя жидких, твердых и газообразных веществ (стр. 18 )

Все прилипание жидкости осуществляется в поверхностном слое, толщина которого не превышает нескольких десятитысячных долей миллиметра.

С точки зрения вышеотмеченных представлений о существовании разуплотненного слоя, который создают молекулы в процессе отталкивания от стенок, кажется невозможным объяснить такое “прилипание”. Но это только на первый взгляд. Рассмотрим детальнее, как же поверхностный слой жидкости реагирует на движение вдоль стенки.

Во-первых, как отмечено выше, экспериментально показано, что поверхностный слой обладает повышенной вязкостью. По моему мнению, эта вязкость обусловлена разуплотненным состоянием молекул, когда они находятся в ситуации реально действующего притяжения друг к другу ван-дер-ваальсовыми силами. Они отличаются от глубинных молекул, так же как надутый воздушный шарик отличается от ненадутого.

Во-вторых, самая низкая концентрация молекул жидкости существует в непосредственной границе с твердой стенкой. Казалось бы, это совсем противоречит прилипанию к ней молекул. Однако здесь, как показано выше на примере газов, хотя и пониженная концентрация молекул, но количество соударений каждой молекулы о стенку и друг с другом такое же, как и в глубине жидкости. Здесь просто резко возрастает относительная доля соударения каждой молекулы со стенкой за счет снижения доли соударений с соседними молекулами, причем тем больше, чем ближе к стенке. Несмотря на меньшее количество одновременно присутствующих молекул, количество ударов молекул в направлении стенки такое же, как одновременное количество ударов в каком-либо одном направлении в глубине жидкости. Молекулы, ударяясь, быстрее уходят от стенки, оставляя более разуплотненное пространство. Поэтому общее гидростатическое давление жидкости у стенки и в глубине одинаково.

В-третьих, необходимо представить себе, что происходит, когда молекулы ударяются о стенку в составе слоя, обладающего повышенной вязкостью. Каждый удар молекулы о стенку – это кратковременное давление на нее и мгновение короткой связи между стенкой и поверхностным слоем. Иначе говоря, в это мгновение стенка и жидкость как бы зафиксировали мгновенную остановку в продольном движении относительно друг друга. Молекула в момент удара находится в прямом контакте со стенкой и, значит, как бы прилипает к ней. В то же время эта молекула является составной частью вязкого поверхностного слоя, в котором ее движение вдоль слоя также затруднено вследствие повышенной вязкости. Поэтому в момент удара каждая молекула создает усилие тормозящее общее течение жидкости вдоль стенки, а удары всех молекул создают общее ее торможение.

Это можно образно представить себе следующим образом. Если группа людей, плывущая на лодке вдоль крутого обрывистого берега, пытается оттолкнуться от него шестами, то это простое отталкивание не будет ни задерживать, ни тормозить движение лодки. Но попробуйте представить себе, что люди отталкиваются шестами так, чтобы движение шестов было жестко зафиксировано только строго перпендикулярно берегу и не отклонялось в каком-либо диагональном направлении. Это можно сделать, если шесты пропустить сквозь отверстия в какой-либо толстой деревянной перегородке на лодке так, чтобы они двигались только перпендикулярно этой перегородке и берегу. В этом случае шест всякий раз сцепляется с берегом, царапает его и тормозит лодку. Если одновременно таких шестов воткнуть в берег, то движение лодки может быть полностью остановлено.

Если, например, эту перегородку с отверстиями сделать не из дерева, а из более гибкого материала, например, резины, то втыкание всех шестов в берег не остановит лодку, а только затормозит ее, так как шесты некоторое время еще будут отклоняться за счет гибкости резины по диагонали. Это как раз случай, близкий действию тормозящего влияния ударов молекул в поверхностном слое воды, который, имея определенную вязкость, но не абсолютную твердость, только несколько тормозит движение жидкости вдоль стенки. Удары молекул о стенку – это аналог втыкания шестов в берег с лодки, плывущей вдоль берега с условием постоянного удержания шестов в положении, близком к нормали.

3.4.1.5. Общие физические свойства поверхностного слоя воды

На основании приведенных выше особенностей поверхностного слоя воды можно сделать следующие выводы о его физических свойствах. Формирование слоя происходит в период растекания воды вдоль твердых, жидких и газообразных поверхностей, когда увеличивается его площадь. Возникновение новых участков слоя обусловлено подходом к ним молекул глубинных слоев и сопровождается почти мгновенным разуплотнением и расширением последних с силой температурного расширения. После завершения разуплотнения слой приобретает свойства твердого тела, так как он с силой поверхностного натяжения сопротивляется дальнейшему увеличению по площади и с силой расклинивающего давления Дерягина сопротивляется его пережиму в поперечном направлении. Он способен поддаваться плавным изгибам в соответствии с формой водной растекающейся поверхности.

После того, как механические силы, растягивающие поверхностный слой в латеральном направлении, превысят силу поверхностного натяжения, он способен увеличивать свою площадь без разрыва сплошности неограниченно до тех пор, пока существуют глубинные достраивающие его слои жидкости. В случае, если сила, сжимающая этот слой в поперечном направлении, превысит силу расклинивающего давления, слой в этом участке разорвется и поверхности, совершающие это сжатие, соприкоснутся друг с другом.

Таким образом, можно сказать, что поверхностный слой воды образуется как твердая поверхностная пленка, которая в момент образования с силой температурного расширения способна расширяться в поперечном направлении на расстояние, равное одной длине флюктуационного скачка молекулы, и раздвигать контактирующие с ней фазы вещества, а затем, после своего образования, способна противодействовать растяжению в продольном направлении и сжатию в поперечном.

По существу, от твердого тела она отличается только тем, что не сопротивляется сжатию в продольном направлении, а легко, без всякого усилия, сокращается и исчезает, как только механические растягивающие его в латеральном направлении силы будут меньше силы поверхностного натяжения.

В целом, поверхностный слой воды можно сравнить с воздушным шариком. Когда шарик не надут, он представляет собой бесформенную резиновую массу, которую можно легко смять или растянуть, как обычную тряпку. Это аналог поведения слоев воды в глубине жидкости, где они не имеют какой-либо формы и не сопротивляются каким-либо деформациям. Но если шарик надуть, он приобретает свойства упругого твердого тела, которое сопротивляется и сжатию, и растяжению, а при перегибах образует плавные контуры. Это уже почти полный аналог поведения поверхностного слоя воды, который приобретает такие же свойства при разуплотнении глубинных слоев молекул, т. е. как бы их “надувании”.

Но имеется еще одно свойство поверхностного слоя, которое отличает его от воздушного шарика. Собственно СРПС придает ему свойство своеобразной “смазки”, которая с большой силой препятствует соединению двух сближающихся в воде поверхностей. Если две частицы в воде сближаются и, сталкиваясь, соединяются, преодолевая расклинивающее давление Дерягина, то в случае жесткого их соединения и удерживания силами притяжения они могут так и оставаться соединенными. Но если соединение не имеет жесткости, т. е. частицы, будучи соединенными, все же могут несколько смещаться относительно друг друга, то вступает в действие Т-СРПС, когда вода проникает вдоль контактов соединенных поверхностей и в местах удлинения интерстиционных промежутков между ними, разуплотняясь с большой силой, мгновенно отталкивает частицы друг от друга, рассоединяя их. Поскольку действие Т-СРПС мгновенное, она позволяет частицам соединиться только на какое-то очень краткое время сразу же отталкивает их друг от друга, так что, по существу, она препятствует их сближению и соединению. Можно привести такой пример. Если двигатель не вращается, смазка на поверхности вала позволяет двум трущимся поверхностям легко, под действием собственного веса вала, соприкоснуться, препятствуя этому лишь со слабой силой расклинивающего давления Дерягина и вязкости. Но как только двигатель начинает вращаться, соприкосновение этих поверхностей становится почти невозможным, уже по другим причинам.

Температура определенным образом влияет на свойства поверхностного слоя. Известно, что с повышением температуры до точки кипения жидкости уменьшаются поверхностное натяжение, вязкость поверхностного слоя, расклинивающее давление Дерягина. Но при этом Т-СРПС возрастает, так как увеличиваются количество и длина скачков молекулы в жидкости и, соответственно, увеличивается сила их давления при разуплотнении поверхностного слоя. Это происходит в той же степени, с которой увеличиваются величины и сила температурного расширения самой жидкости.

Непосредственно эти свойства проявляются в природе и имеют важнейшее значение в тех случаях, когда вода растекается внутри микропористых и микротрещиноватых сред или когда в водной среде образуются мельчайшие коллоидные или эмульсионные частички. Рассмотрим это на конкретных явлениях природы.

3.4.2. Создание эффекта Ребиндера

в 1928 г. был открыт эффект адсорбционного понижения прочности твердых тел при механических деформациях, названный его именем. Сущность его состоит в том, что адсорбция типичных поверхностно-активных веществ на поверхности подвергающегося деформации твердого тела вызывает облегчение деформации и разрушения этого тела, причем в значительно большей степени, чем при каких-либо химических превращениях (Лихтман и др., 1954; Ребиндер, 1979). Эффект, по мнению , обусловлен тем, что поверхностно-активные вещества, понижая поверхностную энергию твердого тела, способствуют зарождению пластических сдвигов и развитию разнообразных дефектов при меньших напряжениях. В этом состоит первичное инициирующее воздействие адсорбции, которому подвержены прежде всего ультратонкие микротрещины или щели клиновидного сечения. Микротрещины, как изначально существующие в твердом теле, так и возникающие в процессе его деформирования, снижают прочность тела и облегчают его разрушение. Вместе с этим дефекты играют важную роль во взаимодействии деформируемого твердого тела с окружающей средой, так как являются теми воротами, через которые окружающая среда и содержащиеся в ней поверхностно-активные вещества могут проникать внутрь тела и определенным образом воздействовать на кинетику и динамику деформации. При постепенном развитии поверхности микротрещин поверхностно-активные молекулы из окружающей среды проникают в их устья вследствие так называемой двухмерной диффузии. Все вещества, как известно, стремятся покрыть всю развивающуюся внутри деформируемого тела доступную им поверхность равномерным адсорбционным слоем толщиной в одну молекулу. Движущей силой при втягивании в микрощели адсорбционных слоев является вызываемое их проникновением понижение поверхностной энергии или двухмерное давление. Последнее выражается силой, действующей на единицу длины линейной границы адсорбционного слоя. Когда жидкость подходит к острию микротрещины, содержащиеся в ней молекулы растворенных компонентов, наиболее сильно адсорбирующиеся твердыми поверхностями, забегают вперед по обеим поверхностям микрощели вплоть до самых узких мест, где их дальнейшее проникновение ограничено препятствием – размерами молекул. Именно в этих местах внутри щели и создается та естественная граница – линейный барьер, на каждую единицу длины которого прикладывается двухмерное давление адсорбционного слоя, направленное в сторону дальнейшего развития щели в глубь твердого тела по аналогии с действием на барьер двухмерного давления мономолекулярного слоя органических поверхностно-активных веществ на поверхности чистой воды. Это давление адсорбционного слоя вместе с другими факторами, и прежде всего понижением свободной поверхностной энергии в результате адсорбции, способствует облегчению деформации и разрушения твердого тела.