§ 15. ЖИДКОСТИ; ИХ ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА. МОЛЕКУЛЯРНОЕ ДАВЛЕНИЕ И ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ
Для превращения вещества из газообразного состояния в жидкое следует: 1) сжимать газ, т. е. уменьшать среднее расстояние между его молекулами, и 2) охлаждать газ, т. е. доводить до температуры ниже критической, а также отводить теплоту конденсации. Уменьшение расстояний между молекулами необходимо, чтобы силы взаимодействия сделались достаточно большими и могли связать молекулы между собой. Охлаждение газа необходимо, чтобы уменьшить среднюю кинетическую энергию молекул по сравнению с потенциальнсй энергией их взаимодействия. Тогда молекулы вещества не смогут преодолеть действующие между ними силы и разлететься, как это имеет место в газообразном состоянии; они вынуждены будут совершать беспорядочные движения по соседству друг с другом. Однако в отличие от твердого состояния молекулы жидкости имеют еще некоторую свободу передвижения; не отходя на большие расстояния друг от друга, молекулы переходят от «области действия сил» одних соседних молекул к области действия сил других молекул. Этим объясняется существование в жидкостях диффузии, а также малая скорость этой диффузии по сравнению с газами.
ПЕРЕХОД ОТ ГАЗА К ЖИДКОСТИ
В § 13 указывалось, что возможны два способа превращения вещества из газообразного состояния в жидкое:
1) газ путем охлаждения и сжатия сначала доводится до состояния насыщенного пара и затем конденсируется: число связанных между собой молекул в жидкой фазе постепенно увеличивается за счет числа свободных молекул в парообразной фазе.
Этот процесс осуществляется, если внешнее давление меньше критического давления;
2) газ путем охлаждения и сжатия переводится в жидкое состояйие «сразу», по всему объему, минуя парообразное состояние, т. е. без разделения вещества на жидкость и насыщенный пар.
Этот процесс осуществляется при давлениях выше критического (см. изобару 1—2 или изохору 1—3 на рис. 11.28).
На практике преимущественно осуществляется первый способ. Для этого способа характерно образование сначала небольшого количества жидкой фазы, масса которой в дальнейшем увеличивается за счет пара до тех пор, пока не исчезнет вся парообразная фаза. Образование первых порций жидкости из пара возможно следующим образом. К стенкам сосуда, где производится охлаждение и сжатие пара, может прилипнуть некоторое количество молекул пара; отдав свою кинетическую энергию холодным стенкам сосуда и одновременно сблизившись между собой до малых расстояний, эти молекулы окажутся связанными и между собой и со стенками сосуда, образовав на этих стенках тонкую жидкую «пленку». Толщина этой пленки увеличивается за счет других молекул, летящих к стейке и теряющих здесь свою кинетическую энергию. Так как при конденсации должна
отводиться теплота («теплота конденсации», равная «теплоте парообразования»), то стенки сосуда, через которые происходит этот отвод теплоты, должны все время иметь температуру, несколько меньшую, чем температура пара.
Вследствие наличия теплового движения молекул в самой жидкой фазе происходит испарение: некоторые молекулы, случайно получив достаточную кинетическую энергию, преодолевают силы, связывающие их с остальными молекулами, и переходят снова в пар. Со временем наступает равновесное состояние, когда число молекул, вылетающих из жидкости в единицу времени, становится равным числу молекул, переходящих из пара в жидкость за то же время. Если в таком состоянии произвести некоторое сжатие, то увеличится плотность пара и, следовательно, возрастет число молекул, переходящих из пара в жидкость — до наступления нового равновесия. Таким образом, постепенно сжимая пар, можно перевести его полностью в жидкое состояние.
Кроме стенок сосуда, первоначальное образование жидкой фазы может происходить и на поверхности мельчайших «пылинок», которые в реальных условиях всегда имеются в газах и парах. Эти пылинки являются «центрами конденсации», к которым прилипают молекулы пара, образуя сначала маленькие, а затем и большие капельки жидкости (туман, дождь, облака).
Центрами конденсации могут служить также мельчайшие капельки других жидкостей, заряженные частицы (ионы), сложные молекулы, обладающие несимметричным электрическим полем; например, молекулы серной кислоты вызывают конденсацию водяных паров из воздуха, поэтому над поверхностью крепкой серной кислоты образуется «дымок» из мельчайших капелек воды. Не исключена возможность образования центров конденсации из молекул самого пара, при их случайных тепловых столкновениях, при которых могли бы образоваться небольшие «молекулярные группы» — некоторое количество связанных между собой молекул. При высоких температурах вероятность возникновения таких групп меньше, чем вероятность их разрушения во время столкновений со свободными молекулами, но при низких температурах такие «группы» могли бы существовать долго, и за счет прилипающих к ним свободных молекул превратиться сначала в микроскопические, а затем и в более крупные капельки. Однако вероятность и интенсивность такого процесса конденсации при малых давлениях пара невелика; лишь в критическом состоянии, когда плотности жидкости и ее насыщенного пара равны, наблюдается интенсивное образование таких случайных «скоплений молекул», переходящих при охлаждении в мельчайшие капельки жидкости.
Это явление можно наблюдать, если прозрачную жидкость в стеклянном сосуде путем осторожного нагревания, охлаждения или сжатия провести через критическое состояние; в момент прохождения вещества через критическое состояние наблюдается сильное помутнение, называемое «критической опалесценцией».
Соединение молекул в более или менее прочно связанные группы происходит также и в жидком состоянии вещества, особенно при
низких температурах, вблизи точки затвердевания. Взаимное расположение молекул в этих группах, т. е. структура этих соединений, зависит от характера силового поля молекул; в этом отношении они напоминают элементарные кристаллики твердых тел. Исследования жидкостей при помощи рентгеновских лучей показали, что внутреннее строение их имеет много общего со строением твердых тел, состоящих из большого числа очень маленьких кристалликов с беспорядочным расположением осей. Однако «элементарные кристаллики», которые непрерывно образуются и разрушаются внутри жидкости, имеют весьма малые размеры и в оптический микроскоп не видны. В отличие от твердых тел они могут перемещаться в пределах объема жидкости.
