Почему вода течет?
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
В самом деле, почему? Да потому, конечно, что она жидкость. А почему жидкость? Ну, это уже все равно, что спрашивать, почему твердое тело — твердо и газ — газообразен. Но, оказывается, не совсем все равно. Ибо в объяснении твердости твердого и газообразности газа ученые физики пришли к вполне определенным и общим выводам, а что касается жидкостей, то…
Как в автобусе
Как давно известно, в кристаллическом твердом теле молекулы и ионы выстраиваются в ряды, соблюдая строгий порядок. Он один и тот же на всей глубине тела, и в науке его принято изображать в виде пространственной решетки с материальными частицами в переплетениях — узлах. Это так называемый дальний порядок. Стоит его изменить, и вещество изменит свойство: станет мягче или тверже, потеряет форму, сожмется, расширится.
Решетка связывает движение мельчайших частиц тела. Они как бы соединены между собой пружинками, которые позволяют частицам лишь дрожать, колебаться по отношению друг к другу.
Совершенно иначе ведут себя молекулы газа. Они, словно пылинки в солнечном луче, вьются независимо одна от другой. Кажется, никаким законам не подчинено это беспорядочное движение. Но как оно ни хаотично, ученые смогли подсчитать среднюю скорость мельчайших частиц в газах. Первым научился это делать английский физик Д. К. Максвелл. Он рассуждал примерно так.
На улице города можно встретить и очень высоких людей и совсем маленьких. Но и тех и других сравнительно немного. В основном все жители какой-либо местности примерно одного роста.
Так и движение молекул газа. Некоторые развивают огромную скорость, часть молекул движется медленно. Однако у подавляющего большинства скорость примерно одинакова. Ее можно принять за среднюю.
У молекул водорода при обычной температуре она составляет два километра в секунду — больше 7000 километров в час. У молекулы кислорода всего 1800 километров в час. С жидкостью же пока дело обстоит иначе. Согласие между учеными далеко не достигнуто. Кажется, просто: сжатый или сильно охлажденный газ становится жидкостью, как и сильно нагретое твердое тело. Жидкость — среднее состояние. Но в чем ее внутренняя природа, как ведут себя в ней молекулы?
Пришли к выводу, что частицы жидкости, в отличие от газовых, связаны друг с другом. Но единого, общего для всего тела порядка они не образуют, а испытывают влияние только своих ближайших соседок и воздействуют только на них. Тут уже не дальний порядок связи, как в твердых кристаллических телах, а так называемый ближний. В переполненном автобусе нельзя сдвинуться с места, не потревожив ближайших соседей. Направляясь к выходу, поневоле «меняешь группы» окружающих людей. Примерно так же каждая отдельная молекула жидкости движется среди соседок.
Когда соседи все время одни и те же, ученые говорят о колебании молекулы около временного положения равновесия. Почему «временного»? Потому, что частицы не остаются постоянно в одинаковом же окружении, они перепрыгивают из одной группы соседей в другую — совершают, как говорят ученые, активированные скачки. Каждая молекула воды при комнатной температуре делает за секунду примерно 600 миллионов активированных скачков! (и это касается в том числе и воды в бутылях, стоящей в вашей кухне)
В спокойной жидкости они происходят одинаково во всех направлениях. То группа частиц и каждая из них в отдельности переместилась в одну сторону, то в другую. В общей массе направление скачков взаимно уравновешивается. Однако стоит приложить к жидкости какую-либо силу (избыток давления, силу тяжести, разность потенциалов), и равномерность скачков нарушается, частицы устремляются в одну сторону. Устремляются группами и в одиночку. Это и есть текучесть. От этого течет и вода.
Для того чтобы частицы жидкости могли совершать активизированные скачки, в ней должны быть пустоты. Существуют ли они на самом деле? Ведь если их нет, то приведенное выше объяснение текучести ошибочно. Что говорит об этом опыт? Поиски таких пустот были начаты очень давно.
В серебряном шаре
Флоренция. Старинные дворцы прищурились от яркого солнца резными глазницами окон. А внутри дворцовых покоев вот уже несколько часов неторопливо беседуют флорентийские академики. Один из них говорит:
— Можно ли объяснить текучесть жидкости тем, что в ней есть невидимые поры? Правда ли, что стремясь заполнить их, жидкость и расплывается? Это утверждение, на наш взгляд, ошибочно. Доказательства? Вот они. Перед вами серебряный шар. Он наполнен водой. Ей некуда вытечь, так как шар закупорен герметически. Попробуем ударить по шару тяжелым молотком. Если бы в воде были поры, она бы от удара сжалась, а на шаре образовались бы вмятины.
Молоток с силой опустился на серебряную поверхность. Раз, второй, третий… На шаре появились светлые пятнышки. Академик торжествующе дотронулся до одного из них. Это были крошечные водяные капельки.
Опыт повторили. И снова после ударов на поверхности шара выступали слезы. Серебро пропускало воду! Но как? Ведь оно не губка и не пористая пемза. Напрашивался единственный вывод: в металле есть мельчайшие пустоты.
А в жидкости? Раз воде было легче пробить металл, чем сжаться, значит в ней не нашлось никаких пустот? Выходит так? И долгое время физики считали воду несжимаемой, лишенной каких бы то ни было внутренних пор. Лишь в середине восемнадцатого столетия французский физик Контон доказал, что и вода сжимается, хотя совсем незначительно.
Надо приложить давление в 1000 атмосфер, чтобы уменьшить объем воды всего на одну двадцать пятую. Значит, «поры» в жидкости все-таки существуют, молекулы в ней «упакованы» не самым плотным из всех возможных способов!
Но какие это пустоты? Как расположены молекулы в группах «ближнего порядка»? И даже (но об этом — чуть дальше) именно ли пустоты играют роль причины текучести? В поисках ответа на эти вопросы были разработаны сложные теории, выдвинуты десятки гипотез. Тут и «теория дырок» (как ее называют на научном просторечии), и «теория ячеек», и кинетически-мультиплетно-контактная теория и многие другие. Независимо от простоты или сложности названия все они довольно сложны по существу. Многие из них предполагают, что в течение очень коротких отрезков времени и в небольших объемах молекулярная структура жидкости представляет собой подобие кристаллической решетки твердого тела. Эти построения из молекул то и дело разрушаются, молекулы собираются в новые правильные группы, и жидкость течет.
Один из сторонников таких взглядов, ученый Г. В. Стьюарт сравнивает жидкость со стадом свиней. Животные то и дело собираются в постоянно меняющиеся группы. Группы внутри стада то растут, то уменьшаются. Расстояния между ними, то сокращаются, то увеличиваются. И все-таки это порядок, имеющий определенное построение. Часть физиков считает, что упорядоченность в жидкости, в известной мере, подобна порядку в соответствующем ей твердом теле. Так, расположение мельчайших частиц раствора поваренной соли сходно со строением кристаллов хлористого натрия. Молекулы воды образуют фигуры, похожие на кристаллы льда.
Таинственные многогранники
Но действительно ли жидкости настолько близки к твердым телам? Против этого решительно возражает известный английский ученый Дж. Д. Бернал, который вообще отрицает все так называемые кристаллические теории жидкостей. Он убежден, что жидкость — это однородное (в отличие от гипотезы Стьюарта) и связанное силами сцепления построение молекул. Никаких кристаллических участков или «дырок» достаточно крупных, чтобы в них могли бы поместиться какие-либо молекулы, в ней нет. Вопреки тому, что жидкость сжимается!
Не создают молекулы жидкости и каких-нибудь одинаковых фигур. Но как же тогда жидкость течет? Бернал рассуждает следующим образом. У каждой молекулы жидкости есть 8—12 непосредственно соприкасающихся с ней соседей. Значит, вместе они должны составить фигуры с таким же количеством граней. Но какие? Ведь существуют 46 многогранников, у которых число граней доходит до 12. И есть сотни полторы разных многогранников с 14 гранями. Да и каждая грань не похожа на свою соседку. Мало того, что это могут быть и треугольники, и квадраты, и другие многоугольники. Дело еще в том, что они могут иметь разные стороны. Тогда все эти многоугольники даже при одинаковом количестве углов будут отличаться друг от друга. Высчитать точно, в какие многогранники, с какими гранями, под какими углами сложатся молекулы в капле жидкости очень трудно. И поэтому Бернал пошел по другому пути — решил воспроизвести в грубой форме молекулярную модель жидкости.
Вы можете, при желании, повторить его опыт. Сделайте из пластилина десятка два-три маленьких комочков, обваляйте их в меле и сожмите в один ком. Теперь давайте посмотрим, в какие фигурки превратились комочки при плотной их упаковке.
Видимо у вас, как и у Бернала, получится что-то схожее с неправильными многогранниками. Причем грани в одной фигуре будут разительно отличаться одна от другой. Такого не может быть в кристалле. В этом, по Берналу, и заключается главное отличие структуры жидкости от структуры твердого тела.
Теперь вспомните, что жидкость находится в постоянном движении. Значит, и многогранники и отдельные грани все время меняются. Треугольники превращаются в параллелепипеды, пятиугольники приобретают еще один угол. В других случаях, наоборот, углов становится меньше, грани сдваиваются, страиваются. Этим беспрестанным изменением объемных форм внутри жидкости и объясняет Бернал ее непрерывное течение.
Итак, новый геометрический подход принес новую интересную гипотезу, воскрешающую в какой-то мере старые идеи флорентийских мудрецов. Однако спор далеко не кончен. Общепринятой теории жидкости, согласного ответа на вопрос «почему вода течет?» в науке еще нет. И добыть его далеко не просто.
Кстати, вот что любопытно: большинство теоретиков склонно приближать жидкость скорее к твердому телу, чем к газу. А в практике инженеры и ученые-экспериментаторы применяют к жидкостям формулы, характеризующие тяжелые газы. Странное противоречие! Его тоже должно разрешить будущее. И результаты этого спора будут иметь не только чисто научный, познавательный интерес. В нем кровно заинтересованы и физико-химики, и геологи, и металлурги. Уточнение молекулярно-кинетической модели жидкости может принести пользу в сталеплавлении, гидромеханике, поиске редкоземельных элементов, добыче нефти и во многих других областях науки и техники.
Автор: Г. Вершубский.