Сила разуплотнения поверхностного слоя жидких, твердых и газообразных веществ (стр. 4 )

Если принять х равным расстоянию, например, 100 Å, то t составляет около 10–6 с; таким образом, благодаря броуновскому движению имеет место очень быстрый взаимный обмен между поверхностью и прилегающим к ней слоем жидкости.

Итак, из сказанного выше следует, что на молекулярно уровне “покоящаяся” поверхность жидкости фактически находится в сильно возмущенно состоянии, при котором молекулы без конца “снуют” между поверхностью и газовой и жидкой фазами. Средняя плотность поверхностного переходного слоя непрерывным образом меняется от плотности жидкой к плотности паровой фаз, и под микроскопом с соответствующим увеличением поверхность должна была бы выглядеть как бы в дымке”

Подобного же мнения о способе формирования поверхностного натяжения придерживаются другие ученые в работах, посвященных исследованию физико-химической природы поверхностных явлений (Адам, 1947; Фишер, 1961; Оно и др., 1963; Русанов, 1967; Джапаридзе, 1976; Адамсон, 1979; Джейкок и др., 1984), исследованию поверхностно-активных веществ (Шварц и др., 1960; Абрамзон, 1981; Русанов, 1992), в теоретических работах по молекулярно-кинетической теории жидкостей (Гиршфельдер и др., 1961; Френкель, 1975; Франк-Каменецкий, 1987), в исследованиях расклинивающего давления тонких поверхностных пленок жидкостей (Дерягин, 1986) и исследовании причин понижения механической твердости твердых тел под воздействием поверхностно-активных веществ (Лихтман и др., 1954; Ребиндер, 1979), в учебниках молекулярной физики (Кикоин и др., 1976; Матвеев, 1987).

Необходимо обратить внимание на то, что А. Адамсон сначала приводит точно такое же объяснение механизма образования поверхностного натяжения, как и , а затем, после фразы “следует также помнить, что…”, дает характеристику теплового движения молекул в поверхностном слое жидкости, совершенно не связывая это движение с поверхностным натяжением.

Из вышеприведенных цитат из книг и А. Адамса видно, что у них нет ясного представления о том, как соотносятся друг с другом разуплотнение, создаваемое, по их мнению, ван-дер-ваальсовыми силами втягивания молекул внутрь жидкости, и разуплотнение за счет теплового движения молекул в поверхностном слое. С одной стороны, в той части описания, где говорится об образовании поверхностного натяжения за счет втягивания молекул в глубь жидкости, они говорят о разуплотнении слоя. В этих же разделах приводятся экспериментальные данные об эллиптической поляризации отраженного света в подтверждение его пониженной плотности. С другой стороны, дается описание интенсивного теплового движения молекул, создающего нечеткую, тоже разуплотненную переходную зону между жидкостью и воздухом, где молекулы “без конца снуют” по обе стороны границы раздела фаз. Эта зона также должна обладать эллиптичностью поляризации света, о чем пишет сам : “…незначительная эллиптичность в опытах Рамана и Рамдаса приписывается тепловому движению поверхностных молекул” (с. 17). В таком случае можно задать вопрос: а вообще, существует ли разуплотнение поверхностного слоя за счет втягивания молекул ван-дер-ваальсовыми силами в глубь жидкости? Может быть, все это разуплотнение обусловлено именно только тепловым движением молекул на поверхности? Никаких возражений против такой постановки вопроса ни эти исследователи, ни кто-либо другой не привели.

Я специально обращаю на это внимание, поскольку предлагаю принципиально новый механизм образования поверхностного натяжения, сущность которого заключается в том, что именно тепловое молекулярно-кинетическое движение молекул в поверхностном слое, создающее переходную расплывчатую граничную зону, создает разуплотнение в нем молекул, и благодаря этому слой приобретает реальные свойства поверхностного натяжения, когда жидкость стягивается им, как упругой пленкой. В этот период между молекулами появляется свободное пространство, и действующие между ними ван-дер-ваальсовы силы получают возможность проявляться свободно и независимо от соседних молекул, которые в случае их плотной упаковки препятствовали бы действию этих сил, как отмечалось выше. Иначе говоря, первопричиной создания поверхностного натяжения является молекулярно-кинетическое тепловое движение молекул при последующем участии ван-дер-ваальсовых сил притяжения молекул.

Это представление заставляет задуматься, то же происходит, когда жидкость увеличивает свою поверхность при растекании? В это время к поверхности подходят более плотные глубинные слои, разуплотняются, т. е. увеличиваются в объеме, и значит, создают давление на обе граничащие фазы. А с какой силой создается это давление? Это нетрудно представить себе из приведенного выше описания А. Адамса. Если на каждом квадратном сантиметре поверхности принимается и отдается ежесекундно 1,2×10-22 молекул, двигающихся, как известно, со скоростью около 500 м/с, то участие такой высокоэнергичной массы, несомненно, должно сопровождаться созданием огромных сил, равных по силам температурному расширению жидкостей, которые также вызваны молекулярно-кинетическим движением молекул.

Скачки за пределы поверхности жидкости в сторону газовой фазы способны совершить только молекулы, обладающие наибольшей кинетической энергией. Разуплотнение совершается за счет избыточной энергии тех же молекул, которые участвуют в температурном расширении жидкостей, поскольку последнее совершают также наиболее высокоэнергичные молекулы, делая внутри них “дырки” в процессе скачков. Это разуплотнение и создаваемая при этом сила и есть температурная составляющая СРПС (Т-СРПС).

Растворенные в жидкости вещества в этот момент испытывают еще дополнительное разуплотнение в виде уменьшения концентрации с силой осмотического давления, создавая осмотическую составляющую СРПС. Но механизм этого вида разуплотнения несколько иной, чем механизм разуплотнения жидкости в целом, и от него не зависит, как будет показано ниже.

Из этих представлений следует простейшее объяснение причины понижения температуры поверхностного слоя в момент разуплотнения. Известен эффект Джоуля – Томпсона, когда разуплотнение газа при переходе из сосуда с большей плотностью газа в сосуд с меньшей плотностью (но не в вакуум) сопровождается понижением его температуры, так как газ производит работу против ван-дер-ваальсовых сил молекулярного притяжения.

В твердых веществах и газах подобное разуплотнение также существует, и его сила проявляется также при образовании новых участков поверхностного слоя, но в несколько иной форме.

Более подробно все это будет изложено в соответствующих разделах.

Следует отметить, что в литературе еще имеется понятие “пограничный слой”, обычно используемое в гидро - и газодинамике при изучении обтекания твердых тел газами и жидкостями (Шлихтинг, 1974). Это понятие отличается от “поверхностного слоя” тем, что он является следствием действия не молекулярно-кинетических и ван-дер-ваальсовых сил, а особенностей макроскопической турбулентной динамики течения газов и жидкостей около твердых поверхностей. Толщина его не ангстремы или первые нанометры, а несколько миллиметров, и его можно наблюдать визуально. Эти понятия надо четко различать, и в этой книге речь идет только о поверхностном слое.

1.3. О возможности экспериментального определения СРПС

Пока непосредственных прямых определений величины СРПС не проведено. Возможно ли это? Известно, что экспериментальное определение только плотности воды в контакте с твердыми веществами очень сложно и нередко дает противоречивые результаты (Злочевская и др., 1988), а для газов и твердых веществ еще вообще не проводилось. Это обусловлено очень незначительной толщиной поверхностного слоя. Еще сложнее проведение экспериментов по определению самой величины СРПС. Следует обратить внимание на то, что эта сила проявляется, когда система является открытой, т. е. СРПС возникает только в период движения веществ, когда, например, вода проникает в самую узкую новообразующуюся часть микротрещины при увеличении ее длины. При этом вода, разуплотняясь за счет действия СРПС, создает давление на стенки трещины, но одновременно создает гидравлическое давление и на всю жидкость в трещине, заставляя ее выдавливаться оттуда. Поэтому, чтобы определить истинную величину СРПС, необходимо знать ее давление на обе эти среды.

Это сходно с определением силы давления порохового заряда в огнепроводном бикфордовом шнуре. Если поджечь этот заряд, то взрывная сила горения пороха не разорвет даже мягкой водонепроницаемой оболочки шнура, хотя, как известно, эта сила при выстреле из автомата чрезвычайно велика. Причиной в том, что часть взрывной силы уходит в пустое пространство уже выгоревшей части шнура, и поэтому давление на его оболочку относительно слабое.

Чтобы определить истинную силу давления порохового заряда, надо поместить его в закрытый сосуд и поджечь электрической или ударной (детонатор) искрой изнутри в этом сосуде. В бикфордовом же шнуре эту силу можно определить только расчетным способом, учитывая давление на стенки шнура и скорость истечения газов в пустое его пространство.

Определение величины СРПС тоже можно выполнить только методом расчетов, так как давление на стенки трещин является ее частью, причем, вероятно, в ряде случаев не самой большой. Вторая часть силы, действующая на выдавливание жидкости из трещины, зависит от множества причин, конкретное определе7ние которых как единой силы весьма затруднено.

Такими причинами являются скорость действия самой СРПС, площадь поперечного сечения трещины, количество жидкости, содержащейся в трещине, скорость возникновения новых участков трещины, где появляется СРПС, и скорость попадания в них воды, температура, давление и т. д. Каждый из этих факторов по-разному влияет на СРПС. Например, чем быстрее действует СРПС, тем сильнее ее воздействие на стенки трещины. Так мгновенный взрыв порохового заряда может разорвать твердое вещество вдоль трещины, а медленное истечение газов не окажет никакого давления на стенки, потому что газ медленно вытечет из трещины.

Подобным же образом действует скорость попадания воды в новообразующиеся участки трещин. Если эта скорость мгновенна, то СРПС сразу же вдоль всей поверхности будет создавать давление на стенки и с большой силой раздвигать их. А если жидкость медленно втекает в острие трещины, то СРПС возникает и действует только в самых узких краях наступающего фронта жидкости и создает ничтожное давление на стенки, так как площадь этих краевых фронтов очень небольшая, кроме того, давление жидкости будет мгновенно передаваться в пустое воздушное пространство острия трещины и здесь гаснуть.