Сила разуплотнения поверхностного слоя воды и ее роль в геологических процессах (стр. 13 )

Таким образом, я думаю, что наиболее характерной особен­ностью теплового хаотического движения молекул в жидкостях яв­ляется то, что молекулы в них могут периодически совершать ак­тивированные скачки на различные расстояния, расталкивая на своем пути встречающиеся молекулы и образуя позади себя дырки типа «пенистых бурунов». Я считаю, что все дырки, или так назы­ваемый «свободный объем», которые описаны в различных ды­рочных, решеточных, ячеечных и других теориях жидкого состоя­ния специалистами по термодинамике, являются именно такими. По существу, в этом случае в поведении жидкостей есть опреде­ленные черты сходства с газами, так как скачки молекул подобны свободному пробегу молекул газа. Как известно, именно этими скачкообразными движениями молекул определяется ряд важ­нейших кинетических свойств жидкостей, таких как диффузия, са­модиффузия, испарение, вязкость. О необходимости перехода к взглядам о непрерывности газового и жидкого состояний говорил (1961).

По сути, против этих представлений нет каких-либо сущест­венных аргументов, так как даже Френкель не отвергал этот вари­ант, а в термодинамических работах других крупнейших исследо­вателей этот вопрос вообще не исследуется.

1.3.3. Т-СРПС на границе жидкости с газообразной средой

Как отмечалось выше, в настоящее время общепризнано, что в контакте с газовой средой молекулы жидкости образуют посте­пенный переходный разуплотненный слой. Даже Френкель (1975), считавший, что это предположение «является заведомо непра­вильным» (с. 358), признавал его справедливым для «области температур, близких к критическим». По существу, дискуссия сей­час ведется только о толщине этого переходного слоя и о том, осуществляется этот переход плавно или ступенчато. Выше было показано, что первопричиной формирования разуплотнения в по­верхностном слое является тепловое движение молекул, но ника­кого разуплотнения молекул и создания поверхностного натяжения не происходит за счет их втягивания с поверхности в глубину жид­кости ван-дер-ваальсовыми силами. Мной также развиваются представления о том, что молекулы жидкости совершают активи­рованные скачки на расстояния, превышающие среднее расстоя­ние между молекулами, с силой расталкивая встречающиеся на их пути молекулы и образуя позади себя свободное пространство в виде дырок или «пенистых бурунов». Эти представления поло­жены в основу механизма создания Т-СРПС на границе с газооб­разной средой. Суть этого механизма заключается в следующем.

Наиболее энергичные молекулы, совершая скачки в поверх­ностном слое, выскакивают за пределы поверхности жидкости, удаляясь в воздух (испарение), или же возвращаются, не в силах преодолеть ван-дер-ваальсовое притяжение всей поверхностной массы жидкости. Именно эти молекулы своими скачками за пре­делы поверхности жидкости создают верхнюю часть разуплотнен­ного поверхностного слоя; нижняя его часть создается в резуль­тате того, что после ухода скачущих молекул позади них остаются дырки, создающие разуплотнение в самой массе жидкости. Это изложено Ван-дер-Ваальсом (1936), выделившим верхний слой, состоящий из «сжатого пара», и нижний слой, представленный «расширенной жидкостью».

Однако никто не сделал попытки проделать дальнейший ана­лиз результатов этой деятельности молекул и определить, как эта деятельность проявляется в природе. Логический анализ приводит к следующим выводам.

Если вообразить себе мгновенное появление на границе по­верхностного слоя воды с воздухом (точнее, с паром) параллель­ной ему твердой плоскости, то на самой внешней границе слоя об нее будут ударяться в основном молекулы, испаряющиеся с по­верхности, и наиболее высокоэнергичные молекулы, но находя­щиеся на излете своего скачка. Их количество будет невелико и энергия движения незначительна, поэтому и давление на плос­кость они создадут небольшое. Чем ближе плоскость будет распо­лагаться к границе воды, тем большее количество молекул и со все большими скоростями будет ударяться о нее в направлении от поверхности воды и этим будут создавать все большее давление. Особенно велико будет это усилие в нижней половине разуплот­ненного слоя в зоне «расширенной жидкости», так как здесь ска­чок, по существу, только начинается и молекулы и обладают наи­большей энергией, достаточной, чтобы раздвинуть саму массу плотной жидкости и образовать в ней дырки. Иными словами, здесь суммарная сила ударов равна той силе, которая приводит к расширению самой жидкости в ее глубине при повышении темпе­ратуры.

Из физики известно, что сила действия равна силе противо­действия. Поэтому плоскость будет создавать давление на массу молекул жидкости, отодвигая ее от себя, и этим поддерживать ра­зуплотненное состояние жидкости. Если в верхней части поверх­ностного слоя это противодействие будет небольшое, то в нижней части оно будет равно силе температурного расширения. Значит с такой максимальной силой плоскость должна будет давить на по­верхность жидкости, чтобы ликвидировать разуплотнение. Если жидкость сможет противодействовать этому огромному давлению, например, находясь в плотно закрытом сосуде под прессом, то размеры разуплотненного слоя можно свести к нулю, когда сила давления равна силе температурного расширения. Если же жид­кость находится в открытом сосуде, то она будет сопротивляться этому только с небольшой силой веса гидростатического столба жидкости. Например, в стакане воды или вообще в нижней части сосудов, общий гидростатический вес которых не превышает силы температурного расширения, это разуплотнение будет всегда су­ществовать в контакте со стенками сосуда.

Отсюда следует, что поверхностный слой в процессе своего формирования создает большую силу, равную силе температур­ного расширения. Это и есть температурная составляющая силы разуплотнения поверхностного слоя – Т-СРПС, создающая и под­держивающая разуплотненное состояние поверхностного слоя в контакте как с газообразной средой, так и с твердыми веществами.

Подобную модель формирования поверхностного слоя можно построить, используя понятие о вероятностном контуре свободного пробега. В поверхностном слое жидкости вероятностный контур свободного пробега, которым здесь является контур флюктуаци­онного скачка, обращен не внутрь жидкости, а наружу (рис. 18). 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 активированного скачка в направлении также и внутрь жидкости. В этом случае вероятностный контур приобретает кон­фигурацию асимметричного эллипсоида вращения с центром, смещенным внутрь жидкости (см. рис. 18). Значит, хотя для моле­кулы появляется возможность сделать скачок в глубь жидкости, вероятность этого меньше и (или) также меньше его длина. Сле­довательно, каждая молекула будет меньше задерживаться при скачке в глубь поверхностного слоя и дольше – при скачке наружу, создавая таким образом ускоренное движение в этом направлении и, следовательно, разуплотнение поверхностного слоя.

Некоторое подобие этой модели поверхностного слоя можно наблюдать на примере сильного проливного дождя. Капли дождя, отскакивая от плоской поверхности асфальта или крыши дома, по­крытой тонким слоем воды, образуют слой брызг, плотность кото­рых постепенно уменьшается по направлению 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, стекающей с крыши, создают слой брызг, плотность которого варьирует 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.

Рис. 18. Вероятностные контуры флюктуационных скачков молекул жид­кости на границе воды (штрихи) с воздухом (точки); d – интервал фор­мирования поверхностного слоя воды

Возникновение Т-СРПС можно пояснить на примере механи­ческой модели, которая описана ранее при характеристике по­верхностного натяжения (см. рис. 10). В этой модели динамометр, помещенный сбоку, показывает суммарную силу ударов подскаки­вающих шариков о площадку динамометра. Эта сила есть сила, создающаяся в процессе разуплотнения поверхностного слоя ша­риков, а в реальных жидкостях – температурная составляющая силы разуплотнения их поверхностного слоя.

В отношении величины силы, с которой Т-СРПС создает ра­зуплотнение поверхностного слоя, можно сказать следующее. Из­вестно, что каждый квадратный сантиметр поверхностного слоя притягивается жидкостью ван-дер-ваальсовыми силами с интен­сивностью около 15000 атмосфер (Писаренко и др., 1961). Это так называемое внутреннее давление. В глубине жидкости молекулы в процессе своих флюктуационных скачков создают дырки, или «пе­нистые буруны», позади себя, формируя таким образом общее расширение жидкости при повышении температуры, так как в этот момент появляется большое количество скачущих молекул, кото­рые и создают дополнительное разуплотнение, легко преодолевая внутреннее давление жидкости. На поверхности эти же молекулы выскакивают за пределы жидкости, уже не тратя энергии на пре­одоление внутреннего давления, и, следовательно, вся их энергия затрачивается только на создание разуплотнения поверхностного слоя. Значит, Т-СРПС создает разуплотнение поверхностного слоя с силой около 15000 атм. на 1 см2 площади поверхности, т. е. в процессе его создания она способна именно с такой силой отодви­нуть любую плоскость, находящуюся в контакте с водной поверх­ностью. При повышении температуры эта сила возрастает, так как увеличивается энергия и количество скачков молекул, создающих разуплотнение поверхностного слоя. Повышение температуры, например от абсолютного нуля, способствует созданию скачков молекул; при этом ими сразу же создается давление, преодоле­вающее силу внутреннего давления молекул, Затем при повыше­нии температуры давление будет все более увеличиваться вплоть до крайней критической точки кипения, когда эти силы настолько возрастают, что полностью отрывают молекулы друг от друга и жидкость превращается в пар.