Сила разуплотнения поверхностного слоя воды и ее роль в геологических процессах (стр. 17 )

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.

1.4.2. Непосредственное действие в природных процессах самой Т-СРПС в период ее возникновения

Т-СРПС проявляется, когда жидкость растекается вдоль ка­ких-либо поверхностей в момент увеличения площади ее поверх­ностного слоя, при этом поверхностный слой как бы разрывается, обнажая еще не разуплотненные участки жидкости, которые сразу же разуплотняются и расширяются, создавая давление по обе стороны от границы раздела фаз. Фактически происходит не раз­рыв слоя, а его растяжение и уменьшение его плотности. Поэтому, чтобы дополнить его до прежней плотности, в него «заскакивают» молекулы из нижнего контакта поверхностного слоя, отрываю­щиеся от плотной массы жидкости. Это, в свою очередь, приводит к подходу молекул из глубины жидкости и наращивания таким об­разом новых участков поверхностного слоя.

Следует подчеркнуть, что, как отмечалось выше, возникаю­щее при этом поверхностное натяжение образуется не путем втя­гивания молекул в глубину жидкости, а путем притяжения молекул только к нижней границе разуплотненного поверхностного слоя, на преодоление которого расходуется часть тепловой энергии скач­ков молекул.

Если в контакте с газовой средой поверхностный слой разуп­лотняется и расширяется в сторону газа, практически не встречая сопротивления, то у стенки сосуда этот слой вынужден по тем же законам и с той же силой расширяться в глубь жидкости. Но по­скольку жидкость является несжимаемым веществом, то при воз­никновении новых участков слоя она вынуждена будет с силой «отжиматься» от стенок, увеличивая свой объем в сосуде на вели­чину объема поверхностного слоя. Подобное разуплотнение и расширение жидкости вполне осуществимо, так как в момент соз­дания новых участков поверхностного слоя система является от­крытой, поскольку жидкость находится не в закрытом сосуде, а су­ществует в свободном объеме, где возможно ее растекание. Этот объем она может заполнять в случае увеличения ее собственного объема при разуплотнении поверхностного слоя, преодолев только гравитационную силу веса столба самой жидкости, которая по величине ничтожно мала по сравнению с силой температурного расширения.

Рис. 21. Схема начала действия Т-СРПС (субвертикальные стрелки) при перво­начальном увеличении длины трещины в процессе механической деформации. Глубинные слои воды, попадая в ново­образованное острие трещины, разуп­лотняются и создают давление на стенки трещин, раздвигая их дальше и этим создавая саморазвивающийся процесс

Здесь следует отметить, что в данном случае речь идет не об уплотнении самой массы жидкости, а о выдавливании ее в свобод­ное пространство сосуда, в котором она заключена.

Практически наиболее широко действие Т-СРПС проявляется при растека­нии воды вдоль микропор и микротрещин в пористых и трещиноватых средах – горных породах и других твердых веществах. Здесь ее действие проявляется в период возникновения но­вых трещин при деформа­циях этих сред. В этот мо­мент глубинные плотные слои воды, проникая в са­мое острие новообразую­щейся трещины, касаются ее стенок и мгновенно разу­плотняются, увеличивая общий объем жидкости и этим раздвигая стенки тре­щины с силой температурного расширения (рис. 21). Затем сле­дует дальнейшее проникновение воды в трещину, и опять все по­вторяется в том же порядке. Таким образом создается самоорга­низующийся процесс увеличения трещиноватости в породах. В этом случае действие Т-СРПС, как показано выше, подобно дейст­вию земляного червя, когда он делает подземные ходы.

Непосредственное действие Т-СРПС, проявляющееся в це­лом ряде процессов, описано мной в предыдущих книгах (Шаба­лин, 1998–2002). Поэтому здесь я приведу только краткую их ха­рактеристику в соответствии с заголовками соответствующих раз­делов.

Создание эффекта Ребиндера. Это эффект адсорбцион­ного понижения прочности твердых тел при механических дефор­мациях (Ребиндер, 1979). Сущность его заключается в том, что при добавлении в раствор поверхностно-активных веществ ускоряется их разрушение за счет увеличения в них трещиноватости. объясняет это снижением свободной энергии по­верхности. По моему мнению, здесь Т-СРПС ускоряет разрушение горных пород при их смачивании жидкостями даже и без добавки поверхностно-активных веществ. Но последние укоряют этот про­цесс за счет увеличения смачиваемости стенок трещин и ускоре­ния таким образом проникновения жидкости в их острие, усиливая этим действие Т-СРПС.

Содействие стирке тканей с использованием моющих поверхностно-активных веществ. Здесь в полной мере про­является эффект Ребиндера, и Т-СРПС оказывает при стирке су­щественное влияние. Жидкость, попадая вдоль контактов ткани с загрязняющими частицами, расширяется и с силой Т-СРПС отры­вает частицы от ткани. Этому содействуют также поверхностно-активные моющие вещества, ускоряющие проникновение воды вдоль контактов.

Возникновение кавитации. Она вызвана процессом появ­ления и исчезновения пузырьков в жидкости. Это осуществляется с силой гидравлического удара. По-моему, этот удар создается действием Т-СРПС в период появления и исчезновения газовых пузырьков. Создание разуплотненного поверхностного слоя и его исчезновение осуществляется мгновенно, так как кинетические скорости движения молекул огромны – около 500 м/с. Поэтому гидравлический удар создается вначале при возникновении пу­зырька, т. е. при возникновении поверхностного слоя и затем в за­ключительный этап – схлопывания пузырька, т. е. мгновенного ис­чезновения его поверхностного слоя.

Возникновение оползней и селей. Т-СРПС, обладающая большой силой температурного расширения, способна увеличить расстояние между зернами водонасыщенного грунта, сдавлен­ными огромной гравитационной силой. Это происходит во время малейших подвижек грунта, когда создаются новые трещины и поры; тогда начинает действовать Т-СРПС и уменьшается проч­ность сцепления между зернами. Все это приводит к новым под­вижкам грунта и сползанию его в виде оползней и селевых пото­ков.

Содействие ферментативному и гетерогенному ката­лизу. Суть этих видов катализа заключается в том, что молекулы реактанта (сусбстрата) встраиваются своими определенными час­тями внутрь так называемых активных центров катализатора и за­тем после кратковременного пребывания там разламываются на части, образуя новые молекулы, быстро удаляющиеся из актив­ного центра. По моему мнению, решающее действие при катализе оказывает Т-СРПС, которая, с одной стороны, позволяет реактанту свободно входить в активный центр, а с другой – определяет крат­ковременность его пребывания здесь. Т-СРПС и создаваемое ею расклинивающее давление Дерягина отрывает молекулу реак­танта от активного центра после непродолжительных флюктуаци­онных ее колебаний внутри его, способствуя быстрому его осво­бождению для новых каталитических реакций.