Сила разуплотнения поверхностного слоя воды и ее роль в геологических процессах (стр. 38 )

Таким образом, можно полагать, что непосредственно форма тела растения и живого организма, т. е. его вид и наследование признаков родителей, определяются генетическим кодом моле­кулы ДНК, а общие размеры тела и время его роста и старения определяются способностью биологических клеток тканей реаги­ровать на внешние физические нагрузки тела, связанные в первую очередь с силой тяжести Земли. Росту способствует осмотическая составляющая СРПС, а препятствие росту и последующее старе­ние создает лимитирующая их температурная составляющая СРПС.

3.4. Избирательная проницаемость мембран в газах и жидкостях

Разуплотненный поверхностный слой газа представляет неко­торую разновидность вакуума, где молекулы совершают свобод­ные движения не соударяясь друг с другом, а только со стенками слоя. Такое движение веществ осуществляется по законам так на­зываемого кнудсеновского движения или молекулярного течения газов, когда длина свободного пробега их молекул меньше разме­ров того сосуда, в котором он заключен.

Как ведут себя разреженные газы в пределах вакуума можно показать на примере, приведенном в учебнике молекулярной фи­зики (Кикоин и др., 1976). Представим себе сосуд с вакуумом, раз­деленный пополам перегородкой, в которой имеется отверстие. Если в одну половину сосуда поместить небольшое количество молекул газа, то они будут соударяться только со стенками и с пе­регородкой, но между ними соударений не будет. Здесь величина их свободного пробега соответствует размерам сосуда. Через не­которое количество случайных соударений каждая из молекул со­вершит полет сквозь отверстие в перегородке и перейдет во вто­рую половину сосуда, и таким образом они будут заполнять ее до выравнивания концентрации в обеих половинах сосуда.

Если в одну часть сосуда поместить молекулы газа с разным удельным весом, то более легкие молекулы, имеющие большую скорость движения, будут чаще ударяться о перегородку. Значит, вероятность проникнуть сквозь отверстие в перегородке для них больше, и поэтому они быстрее перейдут во вторую половину со­суда. Благодаря этому соотношение молекул в первой половине сосуда изменится в сторону уменьшения концентрации более мел­ких молекул и увеличения концентрации более тяжелых. Следова­тельно, здесь в процессе так называемой молекулярной эффузии в условиях вакуума наблюдается избирательная проницаемость молекул через перегородку.

Здесь необходимо обратить внимание на то, что условия для избирательной проницаемости молекул здесь создаются в обеих половинах сосуда, а не внутри отверстия в перегородке. Этим ус­ловием является обязательное наличие вакуума, так как только тогда молекулы, свободно двигаясь и соударяясь со стенками, имеют возможность проявить свою избирательность в проникно­вении сквозь отверстие, и эта избирательность определяется их скоростями движения и частотой соударения со стенками и пере­городкой.

Я специально акцентирую на этом внимание, потому что да­лее в отмеченном учебнике (и, значит, это общепринятое пред­ставление) говорится о том, что такая же избирательная прони­цаемость осуществляется при молекулярном течении плотных га­зов сквозь трубы и капилляры радиусом меньше длины свободного пробега молекулы; причем приводится формула, из которой сле­дует, что, как и при молекулярном течении газа сквозь трубы, так и при молекулярной эффузии в условиях вакуума, количество про­никающего в единицу времени газа обратно пропорционально корню квадратному из молекулярного веса газа. Отмечается, что течение плотного газа сквозь узкие трубы и капилляры является молекулярным, так как «в пределах площади отверстий молекулы не сталкиваются между собой и, следовательно, каждый компо­нент смеси двигается независимо друг от друга» (с. 191). Иначе говоря, проводится полная аналогия между условиями проникно­вения газов сквозь отверстия в вакууме и условиями проникнове­ния плотных газов при обычных давлениях сквозь отверстия или трубы радиусом меньше длины их свободного пробега.

Но в этих представлениях не замечается крупная ошибка. Как отмечалось выше, действительно создаются условия для селек­тивной проницаемости газов вследствие разной скорости их теп­лового движения. Это условие осуществляется не внутри отвер­стий в перегородке, разделяющей газы, а в пределах сосуда, в ко­тором они заключены.

Именно там необходимо существование вакуума, чтобы осу­ществить селективное разделение газов.

Когда же происходит течение плотных газов сквозь трубы или капилляры радиусом менее длины свободного пробега, то для полной аналогии с молекулярной эффузией необходимо, чтобы здесь также существовал вакуум, но не внутри труб и капилляров, а также за их пределами. Только тогда возможно разделение га­зов. Но наличия такого вакуума в современной науке не предпола­гается. Значит, не замечается, что нельзя проводить аналогию между молекулярной эффузией в вакууме и молекулярным тече­нием газов по трубам, исходя из существующих научных пред­ставлений.

И здесь все ставит на свои места мое представление о суще­ствовании разуплотненного поверхностного слоя. Этот слой у сте­нок мембран с отверстиями и есть вакуум, необходимый для раз­деления газовых смесей. В его пределах проявляется различие в скоростях движения молекул, и поэтому они способны селективно проникать сквозь поры мембран по законам молекулярной эффу­зии в вакууме.

Если плотные газы непосредственно контактировали бы со стенками проницаемых мембран, то находящиеся около отверстий быстрые и медленные молекулы попадали бы в них одновре­менно, никоим образом не успев проявить свои различия в скоро­сти движения и не создав их избирательную проницаемость. Это происходило бы потому, что, насколько быстрые молекулы чаще ударялись бы о стенки, насколько же часто они ударялись бы и о более медленные (более тяжелые) молекулы, подталкивая их к стенке и заставляя ударяться об нее. Поэтому вероятность тех и других проскочить сквозь отверстия мембраны была бы одинакова и зависела только от концентрации, а не от удельного веса.

Это подобно посадке группы людей в автобус без соблюдения очереди. Если молодые энергичные люди будут садиться в авто­бус в общей толпе со старушками, то они и попадут внутрь авто­буса в одинаковом количественном соотношении. Но если автобус остановится в 10 м от толпы, то нетрудно себе представить, что молодые люди первыми войдут в автобус, так как эти 10 м они пробегут быстрее старушек.

Но одного только различия в скоростях движения молекул в пределах разуплотненного поверхностного слоя недостаточно, чтобы избирательное разделение молекул осуществлялось доста­точно длительное время. Дело в том, что в начальный момент бо­лее быстрые молекулы вблизи поверхностного слоя действи­тельно быстрее перейдут сквозь поры мембран и этим резко уменьшат их концентрацию здесь. Но на этом их более быстрый переход может и закончиться, если сюда не будут подходить так же быстро молекулы из глубины жидкости. Поэтому здесь вступает в действие О-СРПС, т. е. решетчато-пружинный механизм диффу­зионного движения молекул, который создает давление и, следо­вательно, подход новых молекул. Причем, как показано выше, сила давления этого механизма зависит не только от концентра­ции, но и от скорости движения молекул. Благодаря этому созда­ется постоянный ускоренный подход более быстро двигающихся молекул к границе поверхностного слоя и затем их ускоренное движение через слой и сквозь микропоры мембран.

Избирательная проницаемость газовых мембран с радиусом отверстий меньше длины свободного пробега широко использу­ется для разделения газовых смесей (Дытнерский и др., 1991) и изотопов разного веса (Кикоин и др., 1976). Это разделение воз­можно только при условии существования разуплотненного по­верхностного слоя газов, созданного действием Т-СРПС.

В своих предыдущих работах я связывал избирательную про­ницаемость мембран в жидких средах с действием МДК-эффекта, т. е. с осмотической составляющей СРПС. Сейчас я изменил свои представления и считаю, что она обусловлена действием одно­временно температурной и осмотической составляющей СРПС, как это происходит в охарактеризованных выше газовых мембра­нах. В них Т-СРПС, создавая разуплотненный поверхностный слой, способствует возникновению таких же условий для молеку­лярного течения веществ, какие создаются в вакууме. Иначе го­воря, каждая мембрана, с обеих сторон окружена разуплотнен­ными поверхностными слоями газа, являющимися аналогом ва­куума, необходимого для разделения смесей сквозь поры.

Подобное же свойственно мембранам в жидких, и в первую очередь водных, средах. Здесь вода на обеих поверхностях мем­бран за счет действия Т-СРПС создает разуплотненный поверхно­стный слой; количество молекул в его частях, прилегающих непо­средственно к стенке, близко к вакууму. Значит, здесь, так же как и для газовых мембран, создаются условия для избирательного про­хождения молекул растворенных в воде веществ. Вследствие та­кого вакуума, каждая более быстро двигающаяся молекула имеет возможность пройти расстояние в пределах поверхностного слоя между стенкой мембраны и плотной жидкостью, например, в 2 раза быстрее. Следовательно, она будет в 2 раза чаще ударяться о стенку и для нее в 2 раза больше вероятность того, что она со­вершит скачок в направлении поры в мембране и далее сквозь нее на другую сторону.

Если бы разуплотненного слоя не было, то более быстро дви­гающиеся молекулы, соударяясь с молекулами воды и растворен­ных веществ у стенки мембраны, не имели бы возможности реали­зовать свое различие в скорости. Чем больше их скорость, тем чаще они соударялись бы с другими молекулами и тем чаще как бы подталкивали их к прохождению сквозь микропоры, не имея от этого никакого преимущества. В условиях же вакуума разуплот­ненного слоя, не сталкиваясь с другими молекулами, они свободно проявляют свою скорость и способны быстрее проходить сквозь микропоры мембран. Причем общее расстояние, которое они про­ходят в пределах разуплотненного поверхностного слоя, не равно толщине этого слоя, а гораздо больше, так как, прежде чем моле­кула попадет в микропору в процессе случайных соударений со стенкой, она пройдет длинный путь.