Сила разуплотнения поверхностного слоя жидких, твердых и газообразных веществ (стр. 25 )

Непосредственно испарение жидкости осуществляется только в самой внешней части поверхностного слоя, где наиболее высокоэнергичные молекулы находятся на самой верхней границе ван-дер-ваальсова притяжения со стороны массы молекул жидкости. Достаточно слабого дуновения ветерка, чтобы сдуть их с этой поверхности и этим увеличить испарение жидкости. Но на их место подходят новые молекулы, достраивая слой до прежней толщины. Так, благодаря дуновению ветерка ускоряются испарение жидкости и ее охлаждение. Всем известно проявление этого свойства испаряющейся воды, когда после купания высыхает кожа.

При повышении температуры увеличивается толщина поверхностного слоя. Следовательно, внешние молекулы оказываются в самых внешних зонах наиболее слабого действия притяжения их молекулами жидкости. Значит, здесь им еще легче покинуть жидкость и принять еще большее участие в испарении.

Таким образом, Т-СРПС, создающая разуплотненный слой, подготавливает жидкость для создания процесса ее испарения, поэтому этот слой и жидкость в целом мгновенно реагируют на все внешние физические факторы.

3.4.17. Роль в текучести жидкого гелия

Сверхтекучесть жидкого гелия при сверхнизких температурах была открыта и изучена в 1938 г. За открытие этого эффекта и создание его теории и были удостоены Нобелевской премии по физике. Практически она проявляется, например, в том, что, если на дно стакана налить жидкий гелий, то он через некоторое время поднимется тонким слоем вдоль внутренних стенок и выльется из стакана, оставив его пустым. Или наоборот, если поставить стакан на поверхность жидкого гелия, то он вдоль внешних стенок поднимется и перельется в стакан. В нем также полностью отсутствует трение, что проявляется, например, в том, что если струю жидкого гелия направить на монету, стоящую торцом на ровной поверхности, то она даже не шелохнется, настолько легко она обтекается без трения сверхтекучей жидкостью.

Для объяснения сверхтекучести жидкого гелия была применена идея двухжидкостной модели, которая, как отмечалось выше, использовалась также для объяснения сверхпроводимости электрического тока (Матвеев, 1989). Атомы гелия имеют целый спин и, следовательно, подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна. Вследствие этого они могут в любом количестве находиться в одном и том же квантовом состоянии, в том числе и в состоянии с минимальной энергией. Их сосредоточение на низшем энергетическом уровне называется Бозе-конденсацией. Следующий более высокий уровень расположен на некотором расстоянии от низшего. Расстояние между ними называется энергетической щелью. Если энергетическая щель такова, что атомы в Бозе-конденсате при движении не могут получить порцию энергии больше ширины энергетической щели, то они движутся без изменения энергии, т. е. без трения. Благодаря этому они составляют сверхтекучую компоненту в двухжидкостной модели сверхтекучести.

Мое объяснение сверхтекучести жидкого гелия на основе действия СРПС чрезвычайно простое. При сверхнизких температурах полностью прекращается тепловые флюктуационные скачки молекул жидкости, и потому исчезают Т-СРПС и создаваемый ею разуплотненный слой с повышенной вязкостью. Поэтому в контакте жидкости с твердыми телами полностью исчезает трение, которое, как отмечалось выше, создается этим поверхностным слоем. В связи с исчезновением разуплотнения в поверхностном слое молекулы гелия уже не отталкиваются от твердых стенок сосуда и находятся в непосредственной близости к ним, и значит, сильнее притягиваются к ним ван-дер-вааальсовыми силами. Это усиливает гидрофильность поверхности, причем настолько, что жидкий гелий растекается по стенкам сосуда с силой, преодолевая собственный вес, и поднимается по стенкам сосуда высоко вверх, переливаясь из стакана или в стакан.

Можно сказать и по-другому: Т-СРПС предохраняет от сверхтекучести при обычных температурах все существующие на Земле жидкости и только когда эта сила исчезает при сверхнизких температурах эта сверхтекучесть появляется в жидком гелии.

Глава 4. ОСМОТИЧЕСКАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ СРПС ЖИДКОСТЕЙ (О-СРПС)

4.1. Поведение у стенки сосуда молекул растворенных в жидкости веществ и создание ими осмотической составляющей СРПС воды

В природе существуют так называемые гидрофильные поверхности, т. е. способные легко смачиваться водой, и гидрофобные – не смачиваемые водой. Гидрофильными свойствами обладают определенные участки органических молекул и биологические ткани растений и живых организмов, а также подавляющая часть горных пород – алюмосиликатных и кварцевых. По существу, ими обладает большая часть веществ на Земле.

Уже давно известно, что растворенными молекулами у стенки сосуда с гидрофильными свойствами создается так называемый диффузный слой или слой связанной воды, в котором их концентрация уменьшается по направлению к стенке (Думанский, 1937; Дерягин и др., 1939; Крюков, 1971). В связи с этим возникло понятие о связанной жидкости или о нерастворяющем граничном слое жидкости, причину появления которого связывают с электростатическими силами взаимодействия растворенных молекул с заряженными диполями воды, образующими сольватную оболочку на границе с твердой фазой. Однако автором на основании высказанных выше положений может быть предложен иной, а именно молекулярно-кинетический, механизм образования диффузного слоя, сущность которого заключается в следующем.

Каждая молекула растворенного вещества, подходя к стенке сосуда на расстояние, меньшее среднего расстояния между этими одноименными растворенными молекулами, начинает испытывать влияние стенки как отталкивающей ее субстанции, подобно отмеченному выше отталкиванию от одноименных молекул. Вероятностный контур среднего хаотического пути молекулы до соударения с молекулами того же сорта и стенкой при этом становится асимметричным, сокращаясь у стенки за счет сокращения этого пути в направлении к ней (рис. 17). В результате этого каждая молекула, подходя к стенке по законам обычной объемной диффузии, вблизи нее приобретает направленное движение, стремясь быстрее удалиться от нее. Причем чем ближе молекула располагается к стенке, тем более асимметричным становится вероятностный контур, тем более ускоренное движение производят растворенные молекулы, так что их концентрация по направлению к стенке все более уменьшается. подобное явление было описано выше для растворенных газов в газе-растворителе.

	Рис. 17. Схема создания диффузного слоя в жидком растворе у стенки. Вероятностный контур хаотического пробега растворенной молекулы у стенки становится асимметричным, способствуя ускоренному их удалению от нее и создавая таким образом слой с пониженной концентрацией. Радиус
контура в объеме жидкости соответствует среднему расстоянию между растворенными молекулами. Стрелкой показано направление движения молекулы

К молекулам жидкого растворителя, по аналогии с молекулами газа-растворителя, как отмечалось выше, понятием вероятностного контура пробега от соударения до соударения является весь объем сосуда. Здесь при таком контуре происходит только самодиффузионное перемешивание молекул растворителя в объеме всего сосуда, и в этом перемешивании в такой же мере участвуют и растворенные молекулы. Но последние, в отличие от растворителя, участвуют, кроме этого, еще и в решеточно-пружинном механизме диффузионного расширения, стремясь с силой разбежаться друг от друга и еще с большей силой оттолкнуться от стенок сосуда, создавая здесь уменьшение концентрации.

Именно различие механизмов диффузии молекул растворенных веществ и самодиффузии пассивно ведущей себя массы молекул растворителя приводит к тому, что первые в граничном слое уменьшают свою концентрацию, создавая диффузный слой, т. е. слой с так называемой отрицательной адсорбцией. Толщина этого слоя зависит от концентрации раствора: чем больше концентрация, тем меньше толщина. Это подтверждено экспериментальными работами (Думанский, 1960; Дерягин, 1986).

Таким образом, растворенные в жидкости вещества вблизи стенки сосуда создают, по существу, разуплотнение, подобное разуплотнению всей жидкости в целом, т. е. температурной составляющей СРПС. Но, во-первых, это разуплотнение осуществляется в слое другой толщины, равной среднему расстоянию между растворенными молекулами, а, во-вторых, гораздо медленнее, со скоростью, равной диффузионному движению молекул среди массы растворителя. Следовательно, хотя механизм создания диффузного слоя растворенными веществами подобен механизму разуплотнения жидкости в целом и действуют они одновременно, но сила и скорость разуплотнения значительно различаются.

Поэтому мной сила разуплотнения растворенных веществ выделена отдельно и названа осмотической составляющей СРПС воды (О-СРПС). Этой силой обусловлено создание в природе осмоса, она действует с силой осмотического давления, поэтому и названа осмотической составляющей.

В диффузном слое молекулы растворенного вещества, стремясь удалиться от стенок сосуда, как бы с силой проталкиваются сквозь пассивно ведущую себя массу растворителя, оттягивая за собой эту массу от стенок во время создания слоя. Эта сила направлена навстречу силе давления решеточно-пружинного диффузионного механизма в самой массе раствора и равна ей. Поэтому после завершения формирования диффузионного слоя обе силы нейтрализуют друг друга и у стенки сосуда создается равновесное состояние, при котором действие каких-либо сил прекращается (если стенка не имеет микропор, соединяющихся с соседним объемом жидкости).

Необходимо отметить, что молекулы растворенных веществ обладают также способностью адсорбироваться на поверхности твердых веществ, т. е. они словно приклеиваются к ним, увеличивая свою концентрацию. Этот процесс называется положительной адсорбцией. Он обусловлен тем, что силы притяжения растворенных молекул к твердым поверхностям очень сильные и здесь превышают молекулярно-кинетическую силу разуплотнения поверхностного слоя. Поэтому, хотя последняя сила действует здесь, как и везде, замеряемая концентрация растворенных веществ может быть больше, чем в объеме раствора. Но адсорбирующиеся вещества, вероятно, почти не влияют на свойства формирующего поверхностного слоя, так как они, по существу, как бы составляют часть твердой поверхности и не участвуют в молекулярно-кинетическом движении молекул в процессе их разуплотнения.