Сила разуплотнения поверхностного слоя воды и ее роль в геологических процессах (стр. 5 )

В соответствии с этим при термодинамическом описании структуры жидкости используют так называемые решеточные мо­дели квазикристаллического строения жидкостей в том смысле, что каждая молек0; Фишер, 1961; Гиршфельдер и др. 1961; Крокстон, 1978; Смирнова и др. 1987; Пригожин, 1990). Решеточные теории жидкости сущест­вуют в двух вариантах: в виде ранней «ячеечной» теории (или «теории свободного объема») и в виде более поздней «дырочной» теории жидкостей. В первом случае каждой молекуле соответст­вует определенный узел решетки, так что число молекул и число ячеек, в пределах которых каждая частица движется, одинаково. Во втором случае число узлов решетки и равное ему число ячеек больше числа молекул, так что явно учитывается наличие вакант­ных ячеек или «дырок» в жидкости. В обоих вариантах теорий при­нимается, что рассматриваемая решетка является плотно упако­ванной кубической гранецентрированной и что межмолекулярные потенциалы имеют форму потенциала Леннарда – Джонса. Таким путем было получено качественное приемлемое описание многих термодинамических свойств жидкостей и плотных газов. В целом структурные группировки воды не являются стабильными. Они очень часто меняются в пространстве и во времени по типу так называемых «мерцающих кластеров» (Молекулярная…,1994).

Далее рассмотрим, какие силы действуют на молекулу жидко­сти, когда она выходит из глубины на поверхность. Как показано, в современной науке доминирует представление о жидкостях как веществах с плотной упаковкой молекул, близкой к таковой в твер­дых веществах. Но в жидкостях в отличие от твердых тел моле­кулы свободно передвигаются в объеме, осуществляя самодиф­фузию. Это движение происходит так, что молекулы находятся в постоянном соприкосновении друг с другом и в процессе движе­ния, по существу, не изменяют равновесного расстояния между собой. В этом заключается суть всех решеточных теорий строения жидкостей. Можно представить себе, что молекулы двигаются как магнитные шарики, соприкасающиеся поверхностями и при движе­нии проскальзывающие вдоль поверхностей соприкосновения, не удаляясь друг от друга. Значит, они находятся в постоянном со­прикосновении друг с другом, Следует подчеркнуть, что это не есть соприкосновение электронными оболочками атомов, а сопри­косновение ван-дер-ваальсовыми радиусами взаимодействия ме­жду ними, т. е. соприкосновение вдоль поверхностей, где силы притяжения и отталкивания равны нулю. Это, как и магнитным ша­рикам, не позволяет дальнейшего сближения их собственных по­верхностей, а удаляться не дают силы магнитного притяжения.

Из физики хорошо известно, что если молекулы находятся в соприкосновении, то в этот момент между ними начинают действо­вать так называемые силы близкодействия, или силы взаимо­действия соприкосновением. Согласно третьему закону Нью­тона сила действия равна силе противодействия. Значит, когда молекулы находятся на некотором расстоянии друг от друга, они испытывают действие сил взаимного притяжения, которые можно измерить. Для магнитных шариков, например, можно использовать динамометр. Но когда молекулы соприкасаются, то действие при­тяжения каждой молекулы на другую уравновешивается равным по силе противодействием соседней молекулы и поэтому реальное действие сил притяжения полностью исчезает.

Это можно увидеть из простого эксперимента. Если взять ша­рики разной степени намагниченности и простые (немагнитные) шарики, например биллиардные шары, и катать их по поверхности друг друга, то независимо от силы притяжения шариков друг к другу или отсутствия таковой вы не почувствуете никакого сопро­тивления. Но достаточно попытаться раздвинуть два соседних ша­рика хотя бы на доли миллиметра, как сразу же будет видно раз­личие в силе их взаимного притяжения.

Именно таким образом, скользя, касаясь друг друга поверхно­стями и не встречая никакого сопротивления действия сил притя­жения, движутся шарики-молекулы в глубине жидкости, что сле­дует из широко известных представлений о плотной упаковке мо­лекул и непрерывном континууме их сплошной массы. Следует подчеркнуть, что здесь такое равновесие сил взаимодействия дос­тигается в любой точке касания соседних молекул со всех сторон.

Рис. 6. Распределение сил притяжения (стрелки от центра шаров) и сил соприкос­новения (стрелки к центру шаров), дейст­вующих на молекулу воды в глубине жид­кости в поверхностном ряду молекул и на молекулу, отсоединенную от него. Видна неуравновешенность этих сил только для последней молекулы

Если молекула в процессе движения из глубины подойдет к по­верхности – к внешнему ряду (рис. 6), то, по су­ществу, на нее по-преж­нему не будут действо­вать какие-либо силы, которые проти­водейст­вовали бы ее приближе­нию к этому ряду. Дейст­вительно, молекула со­прикасается с соседними молекулами с боков и из глубины, и в каждой точке этого касания все силы притяжения урав­новешены силами каса­ния. С внешней стороны соседних мо­лекул не имеется, значит, нет и никаких сил взаимодействия ме­жду ними. Поэтому как в этом поверхностном ряду, так и при под­ходе в этот ряд из глубины мо­лекула не будет испытывать какого-либо реального воздействия соседних молекул, которые препятст­вовали бы ее приходу в этот ряд. За счет сил касания все силы притяжения сведены к нулю, т. е. находятся в равновесии, что, в частности, отмечено Джанколи (1989); цитату из его учебника я уже приводил.

Совсем другое дело, если попробовать переместить молекулу от внешнего ряда плотной массы молекул хотя бы на самое незна­чительное расстояние. В этом случае силы касания исчезают и начинают реально действовать силы ван-дер-ваальсового притя­жения молекул друг к другу, которые будут притягивать молекулы назад к поверхности жидкости. Но при попадании молекулы на эту поверхность действие этих сил сразу же исчезает, поэтому она уже не будет стремиться двигаться в глубину. Значит, действие сил притяжения ограничивается только первым внешним рядом плот­ной массы молекул, да и то если попытаться отделить молекулы этого ряда.

То же самое можно пояснить на основе известного закона Ар­химеда, согласно которому, если тело, погруженное в жидкость, удерживается в механическом равновесии, то со стороны окру­жающей жидкости оно подвергается выталкивающей силе гидро­статического давления, численно равной весу жидкости в объеме, вытесненном телом. На поверхности каждая молекула воды нахо­дится в соприкосновении друг с другом и испытывает притяжение всей массы молекул в глубь жидкости, но в то же время – противо­положное и равное по величине влияние архимедовых сил вытал­кивания молекул наружу. Поэтому никакого реального стремления продвигаться в глубь жидкости она не испытывает, с какой бы си­лой масса молекул не притягивала ее. Для примера представьте себе, что доска плавает на поверхности жидкости на Луне, на Земле и на какой-либо сверхплотной планете с чудовищно огром­ной силой тяжести. Пока эта доска свободно плавает на поверхно­сти жидкости или погружается в ее глубину она не «чувствует» разницы в силах притяжения на этих планетах, так как силам при­тяжения противостоит равная архимедова сила выталкивания. Но если попытаться эту доску приподнять над поверхностью жидко­сти, сразу же почувствуются реальные силы притяжения и их раз­личие на этих планетах, так как действие архимедовых сил исчез­нет.

Если на поверхности плотной жидкости молекула не испыты­вает никаких реально действующих сил притяжения, она не обла­дает никакой свободной поверхностной энергией. Значит, глубоко ошибочными являются представления вышеперечисленных ис­следователей о том, что частица на поверхности испытывает стремление втянуться в глубь жидкости и обладает свободной энергией.

Следует отметить, что в высказываниях этих исследователей нет ни одного упоминания о том, что силы втягивания действуют в пределах уже разуплотненного поверхностного слоя жидкости. На­оборот, считается, что как раз втягивание молекул внутрь жидко­сти и создает разуплотнение и поверхностное натяжение. В типич­ном виде это отражено в приведенных цитатах из книги Адама (на­помню: втягивание молекул с поверхности внутрь происходит с большей скоростью, чем обратное движение молекул, стремя­щихся занять место первых, поэтому число молекул в поверхност­ном слое непрерывно уменьшается). При этом во всех работах принято, что тепловое движение молекул в поверхностном слое, зависящее от температуры и также приводящее к его разуплотне­нию, является фактором, не способствующим созданию поверхно­стного натяжения, а, наоборот, стремящимся только уменьшить его. Это следует, например, из того, что Адам сначала описывает механизм формирования поверхностного натяжения путем втяги­вания молекул в глубь жидкости, а затем независимо от него ха­рактеризует уменьшение плотности в поверхностном слое за счет теплового движения молекул, которое, по его мнению, лишь ос­лабляет втягивание молекул внутрь. То же отчетливо видно и из описания, данного Адамсоном, где он сначала приводит точно та­кое же объяснение механизма образования поверхностного натя­жения, как и Адам, а затем после фразы «следует также помнить, что» дает характеристику теплового движения молекул в поверх­ностном слое жидкости, совершенно не связывая это движение с процессом формирования поверхностного натяжения.

Подобная трактовка влияния теплового движения молекул на поверхностное натяжение следует из приведенной выше формулы поверхностного натяжения из книги Френкеля, в которой второй член, зависящий от температуры, имеет знак «минус», и значит, при температуре, равной нулю, поверхностное натяжение должно быть максимальным.

Однако, как я уже говорил, никаких сил втягивания молекул жидкости с поверхности вглубь не существует, так как все они ком­пенсированы равными и противоположно направленными силами соприкосновения. Но силы притяжения сразу же появляются, стоит только оторвать поверхностную молекулу от остальной их массы. Сами молекулы под действием сил притяжения-отталкивания ото­рваться друг от друга не могут. Поэтому возникает вполне логич­ное и простое объяснение: именно тепловое движение молекул, создающее энергичные скачки, и их испарение могут создать такое положение, когда молекулы отрываются от поверхности жидкости, и тогда на них начинают реально действовать силы притяжения к ней. Такое состояние поверхностного слоя хорошо описано Ада­мом и Адамсоном, как это видно из вышеприведенных цитат, где отмечается, что на каждом квадратном сантиметре поверхности воды ежесекундно принимается и отдается по 1,2⋅10ІІ молекул. Но в отличие от них я считаю, что только после того, как создано это разуплотнение поверхностного слоя в результате теплового дви­жение молекул, начинается действие сил, притягивающих моле­кулы назад к поверхности жидкости и тем самым создающих эф­фект поверхностного натяжения в пределах разуплотненного слоя. Именно этот разуплотненный тепловым движением слой является стягивающей пленкой, которая удерживает поверхность жидкости в состоянии натяжения и придает ее каплям сферическую форму.