Первоначала вещей(Очерк о строении вещества) - Кудрявцев Борис Сергеевич (читать книги бесплатно txt) 📗
Рис. 39. Два мыльных пузыря, один в другом.
Крупинки камфоры пляшут только на чистой поверхности воды. Прикоснитесь к поверхности кусочком мыла — крупинки замрут и будут неподвижно лежать на водной поверхности.
Для прекращения «пляски камфоры» достаточно слоя мыла в одну молекулу. Ученые воспользовались этим и подсчитали, при каком количестве мыла крупинки камфоры перестают двигаться по поверхности воды. Узнав, сколько необходимо для этого мыла, уже не трудно было определить число молекул, покрывающих поверхность воды, а затем и площадь, приходящуюся на отдельную молекулу, или, другими словами, ее размеры. Как оказалось, поперечник молекулы составляет несколько стомиллионных долей сантиметра.
Свойства веществ, повышающих поверхностное натяжение, и тех, которые его понижают, взаимно противоположны. Это приводит к тому, что, добавив к раствору мыла поваренной соли, повышающей поверхностное натяжение воды, мы заставляем часть растворенного мыла выделиться из раствора. Подобное выделение вещества называется «высаливанием», им пользуются при производстве мыла.
Вещества, изменяющие поверхностное натяжение, находят очень широкое применение в самых различных областях науки и техники.
Достаточно упомянуть, что на применении веществ, изменяющих поверхностное натяжение, основан один из наиболее распространенных способов обогащения руд, называемый флотацией. Широко используются подобные вещества при приготовлении многочисленных эмульсий, находящих себе самое разнообразное применение в различных областях техники, медицине, быту…
Жидкость превращается в пар
В жизни мы постоянно наблюдаем превращение вещества из жидкого состояния в газообразное. Присмотримся повнимательнее к этому явлению.
Вот, например, блюдечко с водой. Каждый знает, что спустя некоторое время вода испарится. Каким же образом это происходит?
Молекулы жидкости непрерывно движутся. Движутся и те молекулы, которые находятся вблизи поверхности. Казалось бы, что если молекула движется по направлению к границе, отделяющей жидкость от воздуха, то она обязательно покинет жидкость и перейдет в воздух: образуется водяной пар. Однако дело не так просто.
Когда молекула приблизится к поверхности, силы притяжения частиц, расположенных ниже, будут стремиться ее удержать. Она сможет преодолеть притяжение и покинуть жидкость только в том случае, если будет двигаться очень быстро. Быстро движущихся молекул в жидкости немного, и поэтому жидкости испаряются не очень быстро. Чем выше температура жидкости, тем больше в ней быстрых молекул и тем скорее жидкость превращается в пар. Мы знаем, что мокрое белье высыхает на солнышке быстрее, чем в тени. На теплой печке вода, налитая на блюдце, испаряется скорее, чем на холодном подоконнике.
Но ведь если отрываются от поверхности только быстро движущиеся молекулы, то при испарении их количество в жидкости должно непрерывно уменьшаться. В свою очередь, если число быстрых молекул будет делаться меньше, то, очевидно, будет уменьшаться и средняя скорость движения частиц, а следовательно, и температура жидкости. Налейте на ладонь руки какую-либо легко летучую жидкость — эфир, спирт, бензин — и, поднеся руку ко рту, подуйте на ладонь. Вы тотчас же почувствуете охлаждение, оно вызывается испарением жидкости. Кто не дрожал от холода на легком ветерке даже в сравнительно теплый день, вылезая после купанья из реки?! И здесь охлаждение обусловлено быстрым испарением воды. Достаточно вытереться насухо, и ощущение холода исчезнет.
Поместив блюдечко с водой под колокол воздушного насоса и быстро откачивая воздух вместе с образующимся паром, можно настолько ускорить испарение, что вода на блюдечке замерзнет.
Таким образом, для того чтобы жидкость испарялась без понижения температуры, к ней необходимо непрерывно подводить тепло. Подводимая теплота не вызывает повышения температуры и потому называется скрытой теплотой испарения.
Различные жидкости имеют и различную скрытую теплоту испарения; для испарения одного грамма спирта требуется иное количество тепла, чем для испарения такого же количества керосина или эфира.
Особенно велика скрытая теплота испарения воды. Количеством теплоты, необходимым для того, чтобы превратить в пар один грамм воды, можно было бы нагреть пять с половиной граммов воды от нуля градусов до кипения.
Конечно, скрытая теплота испарения не исчезает бесследно. Она выделяется вновь при превращении пара в жидкость. Этим широко пользуются в технике при устройстве различных нагревателей.
На рисунке 40, а изображен нагреватель, в котором обогревающий пар поступает в змеевик, конденсируется в нем, а выделяющаяся скрытая теплота парообразования нагревает окружающую змеевик жидкость.
Конструкции нагревателей очень разнообразны. Так, например, холодную жидкость можно поместить в сосуд, окруженный «паровой рубашкой» (рис. 40, б).
Рис. 40. Паровые нагреватели: а — змеевик, б — «паровая рубашка».
Омывая холодные стенки сосуда, пар здесь также превращается в жидкость, выделяя необходимое для нагревания тепло. В одних случаях более целесообразна одна конструкция нагревателя, в других — другая. Ценным качеством парового обогрева является автоматическая регулировка наибольшей температуры, достижимой в нагревателе. Совершенно ясно, что конденсирующимся водяным паром нельзя нагреть жидкость больше, чем до температуры кипения воды, так как в этом случае образовавшаяся вода вновь будет превращаться в пар, забирая на это тепло, выделяемое при конденсации.
Охлаждение жидкости при испарении используется при устройстве холодильных машин.
Испарение воды играет огромную роль в жизни природы.
Мы уже говорили, как много испаряется воды с поверхности земли. Из общего количества испарившейся влаги почти девять десятых приходится на моря и океаны. На этот процесс тратится гигантское количество солнечной энергии, которая как бы запасается «впрок» в земной атмосфере.
Понятно, что в жарких странах вблизи экватора испаряется гораздо больше влаги, чем в странах с умеренным или холодным климатом. Испарение с морской поверхности смягчает климат приморских стран. Смягчающее влияние моря приводит к тому, что разница между средними летними и зимними температурами вблизи моря меньше, чем вдали от него. Действительно, в Сочи, например, эта разница составляет 17,5 градуса, а в Москве около 30 градусов. Испарившиеся вблизи экватора массы воды вместе с воздушными потоками распространяются над поверхностью земли. Попав в более холодные области, пары начинают конденсироваться, отдавая воздуху тепло, захваченное на экваторе.
Так в природе в гигантских масштабах осуществляется выравнивание температуры, которое в наше время еще не под силу человеку.
Подвижное равновесие
Одним из подвигов легендарного римского героя Геркулеса была битва с лернейской гидрой. Трудно было победить сказочное чудовище. Девять голов имела гидра, и на месте каждой отрубленной головы вырастали тотчас же две новые.
Стремление человека познать окружающий мир, вырвать у природы ее тайны до некоторой степени напоминает этот поединок Геркулеса. Найденный ответ на какой-либо вопрос, расширяя наши знания о природе, тотчас же вызывает к жизни новые вопросы, так же настоятельно требующие объяснения, как и первый.
Яркий пример этого непосредственно перед глазами: движение молекул позволило понять, почему жидкость испаряется, но сейчас же возник вопрос, почему в бутылке, наполовину наполненной водой и плотно закрытой пробкой, вода не превращается целиком в пар, даже если бутылку поставить в теплое место.
