Сила разуплотнения поверхностного слоя воды и ее роль в геологических процессах (стр. 7 )

Рис. 8. Контуры распределения сил притяжения (стрелки от цен­тра шаров) и сил соприкосновения (стрелки к центру шаров), действующих на молекулу воды в глубине жидкости, на границе с разуплотненным поверхностным слоем и в пределах этого по­верхностного слоя а – нижняя часть разуплотненного поверхностного слоя, образо­ванная в результате удаления из плотной жидкости молекул в процессе их скачков; б – верхняя часть разуплотненного по­верхностного слоя, образованная за счет тех молекул, которые выскакивают из нижней части за пределы поверхности плотной жидкости

При повышении температуры молекулы совершают скачки, как в глубине жидкости, так и над поверхностью на большее рас­стояние и чаще и поэтому толщина разуплотненного поверхност­ного слоя увеличивается, но кажется парадоксальным, что при этом величина поверхностного натяжения уменьшается. Однако ничего удивительного и противоречивого в этом нет, так как здесь возрастает расстояние между молекулами и их удаленность от по­верхности жидкости. Поэтому на этих более значительных рас­стояниях действие ван-дер-ваальсовых сил притяжения в соответ­ствии с потенциалом Леннарда – Джонсона уменьшается и сила стягивания поверхностной разуплотненной пленки ослабевает.

Что же происходит, когда площадь поверхности жидкости увеличивается в процессе ее растекания? Площадь поверхностной разуплотненной пленки увеличивается, значит, количество моле­кул в ней уменьшается и исчезает то равновесное состояние, ко­торое существовало между силами притяжения скачущих молекул к поверхности жидкости и молекулярно-кинетической силой скач­ков молекул. В пределах этого разуплотненного больше нормы слоя сила притяжения между молекулами ослабевает, в том числе и вблизи поверхности самой жидкости, так как здесь уменьшается и количество соседних молекул. Поэтому, чтобы восполнить не­достаток молекул и привести разуплотненный слой в прежнее со­стояние равновесия, этот слой стремится принять с поверхности жидкости большее количество молекул. Насколько долго растека­ется жидкость, увеличивая свою поверхность, настолько же будет продолжаться поступление молекул с поверхности жидкости, чтобы поддержать в разуплотненном слое прежний стабильный уровень разуплотнения. Здесь гравитационные силы, растягиваю­щие поверхностный слой вдоль по касательной, имеют большую величину, чем притяжение к нижней границе слоя заключенных в нем молекул.

Можно сказать и по-другому. При увеличении поверхности жидкости в ее плотной массе (на границе с поверхностным слоем) образуются своего рода вакуумные трещины, куда, как в вакуум, всасываются молекулы из глубины жидкости. Никакой работы при этом они не производят, вследствие хорошо известного так назы­ваемого дроссельного эффекта Джоуля – Томпсона: адиабатиче­ское расширение молекул плотного газа в вакуум не сопровожда­ется совершением работы. Но если этот же газ адиабатически расширяется в сторону менее плотного, то за счет его внутренней энергии совершается работа и происходит охлаждение газа. Именно это происходит, когда молекула, попавшая из глубины к поверхности в «трещину», затем переходит в разуплотненный по­верхностный слой. В этот момент она уже совершает работу, по­падая в газообразный разуплотненный поверхностный слой. По­этому поверхностный слой жидкости, охлаждается, но именно в момент перехода в него молекулы из плотной массы жидкости.

Если гравитационные силы, растягивающие разуплотненный поверхностный слой, уменьшаются или исчезают, то начинает до­минировать сила притяжения молекул к нижней границе поверхно­стного слоя, за счет которой избыточное количество молекул со­кращающегося поверхностного слоя притягивается к нижней его границе и переходит в состав плотной массы жидкости, перемеши­ваясь с глубинными молекулами. Этим поддерживается постоян­ное количество молекул в поверхностном слое и, значит, постоян­ная степень разуплотнения и поверхностного натяжения. Но про­исходит это уже без совершения внутренней работы жидкости. На­оборот, та внутренняя энергия, которая была затрачена на созда­ние новых участков разуплотненного слоя, выделяется в виде те­пла и именно, в этот момент поверхностный слой нагревается.

Рис. 9. Модель формирования поверх­ностного натяжения на примере притя­гивающихся друг к другу магнитных ша­риков, которые выбиваются молоточ­ками из поверхностного слоя

В случае последую­щего увеличения гравита­ционных сил растяжения поверхностного слоя ско­рость «прилипания» моле­кул к его нижней границе уменьшается, а затем моле­кулы опять начинают в большем количестве отры­ваться от этой границы с целью поддержания посто­янной степени разуплотнен­ности слоя.

Пояснить механизм формирования поверхност­ного натяжения можно на простых моделях. Если взять группу магнитных ша­риков, то, стягиваясь, они образуют плотную компакт­ную массу, которой, как от­мечалось выше, можно при­дать любую форму, т. е. эта масса шариков не будет иметь каких-либо признаков поверхност­ного натяжение. Но если по поверхностным шарикам по всему пе­риметру ударять молоточком (рис. 9) так, чтобы шарики отделя­лись от основной массы, но не отлетали от нее далеко, находясь в поле ее притяжения, то поверхностный слой разуплотненных ша­риков приобретет свойства поверхностного натяжения и масса ша­риков примет сферическую форму.

То же самое можно показать на примере простой механиче­ской модели (рис. 10). Между двумя горизонтально расположен­ными дисками из прозрачной пластмассы – металлическое маг­нитное кольцо, на поверхности которого размещена цепочка при­тягивающихся друг к другу магнитных шариков, соединенная с верхним динамометром. В центре магнитного кольца имеется вращающийся кривошип, который через пружинные стержни, про­ходящие сквозь отверстия в магнитном кольце, ударяет по шари­кам и заставляет их отскакивать на некоторое расстояние от по­верхности кольца в пределах действия его магнитного поля. Сбоку от механизма – динамометр с площадкой, о которую ударяются подскакивающие шарики.

Рис. 10. Схема механизма, моделирующего возникновение поверхност­ного натяжения жидкости и силы разуплотнения ее поверхностного слоя. Слева механизм неподвижен и динамометры не показывают действие каких-либо сил. Справа – механизм в движении: вращающийся кривошип через подвижные стержни с пружинами, пропущенными сквозь отверстия в магнитном кольце (точками), ударяет по магнитным шарикам поверхно­стного слоя, заставляя их подскакивать и этим создавая силу их стягива­ния друг с другом (поверхностное натяжение – динамометр вверху) и силу суммарных ударов шариков о плоскость над ними (силу разуплотне­ния поверхностного слоя – динамометр справа)

Если кривошипный механизм не вращается, магнитные ша­рики в цепочке плотно соприкасаются друг с другом и ни один ди­намометр не показывает никаких сил. Но как только кривошипный механизм начинает вращаться, шарики подскакивают и этим соз­дают разуплотнение в цепочке, приводя в реальное действие силы стягивания шариков друг с другом и динамометр начинает ее пока­зывать. Это и есть аналог силы поверхностного натяжения, кото­рая начинает действовать только в случае разуплотнения слоя шариков, в данном случае – под действием ударов по ним со сто­роны магнитного кольца.

Одновременно начинает показывать действие силы и второй динамометр, помещенный сбоку. Он показывает силу ударов под­скакивающих шариков о площадку динамометра. Эта сила есть сила разуплотнения поверхностного слоя шариков, а в реальных жидкостях – сила разуплотнения их поверхностного слоя – Т-СРПС.

Таким образом, сам разуплотненный поверхностный слой, создающийся в процессе тепловых скачкообразных движений мо­лекул на поверхности жидкости, является активным механизмом, который создает поверхностное натяжение. Непосредственное формирование поверхностного натяжения происходит не путем втягивания молекул в глубь жидкости, как это принято сейчас, а за счет необходимости поддержания постоянной толщины и плотно­сти этого слоя при увеличении его площади, что непосредственно выражается в виде притяжения молекул к нижней границе разуп­лотненного поверхностного слоя с плотной массой жидкости.

Это представление полностью согласуется с термодинамикой поверхностного слоя. Как показано выше, при расширении он ох­лаждается, а при уменьшении поверхности – нагревается. Моле­кулы совершают работу при входе в этот слой, но только при входе в него, а не при подходе к нему из глубины жидкости. Если он нагревается при уменьшении площади, значит, он обладает по­тенциальной поверхностной энергией, которая называется также свободной энергией. Он стремится к состоянию равновесия, т. е. к уменьшению своей потенциальной энергии при уменьшении пло­щади поверхности за счет притягивания избыточных молекул к нижней границе слоя с плотной неразуплотненной массой жидко­сти.

По моему мнению, причиной того, почему вышеизложенная ошибка в представлениях ученых о механизме формирования по­верхностного натяжения не позволила открыть раньше силу разу­плотнения поверхностного слоя воды и жидкостей вообще, явля­ется то, что все внимание исследователей было сосредоточено на механизме втягивания молекул в глубь жидкости, а тепловое дви­жение молекул считалось только фактором препятствующим этому. Если бы сразу в этом процессе была признана главенст­вующая роль теплового движения, как показано выше, то до от­крытия силы разуплотнения поверхностного слоя был бы всего один шаг и, наверняка, оно было бы сделано раньше. Очень бли­зок был к этому еще в начале 19-го в. Ван-дер-Ваальс, говоривший о нижней части поверхностного слоя как о «расширенной жидко­сти», образующейся в процессе «кинетического давления» моле­кул. Но затем вся эта рациональная идея утонула в море абст­рактных термодинамических рассуждений и математических фор­мул, почти не касавшихся собственно молекулярно-кинетического механизма формирования поверхностного натяжения или рас­сматривающих только некоторые его аспекты.