Международный союз охраны природы

где ? – потенциальная энергия взаимодействия между молекулами; А – константа притяжения; В – константа отталкивания; r – расстояние между молекулами.

На рис. 29 это выражается кривой, имеющей минимум внизу, так называемую потенциальную яму, когда притяжение и отталкивание взаимно выравниваются. Равновесное расстояние между молекулами определяет так называемые ван-дер-ваальсовы размеры молекул. Оно равно двум радиусам взаимодействующих молекул, т.е. две молекулы, сближаясь на рассто-

Рис. 29. Диаграмма изменения потенциальной энергии (?) и силы межмолекулярного взаимодействия (F) в зависимости от расстояния r между молекулами; r0 – равновесное расстояние между молекулами, равное сумме ван-дер-ваальсовых радиусов молекул (r0 = r1 + r2), где энергия взаимодействия минимальна, а сила взаимодействия равна нулю

яние ван-дер-ваальсовых размеров попадают, образно говоря, в капкан: сблизиться дальше им не позволяют упруго сжимающиеся электронные оболочки атомов, а удалению препятствуют ван-дер-ваальсовы силы притяжения. И только собственная кинетическая энергия движения молекул разрывает этот капкан в газах и они разлетаются, преодолевая силу притяжения. Но если кинетическая энергия движения молекул газа мала, например, при температурах меньше критических, или внешнее давление заставляет молекулы сближаться за счет большего сжатия в сосуде, то тепловое движение молекул происходит большей частью в поле действия этих межмолекулярных сил, как бы в среднем около равновесного расстояния между ними. В результате этого газы превращаются в жидкости или твердые тела, так как молекулы за счет внешних сил или малой кинетической энергии оказались запертыми в капкане энергетических сил межмолекулярного взаимодействия.

В жидкости тепловое движение молекул осуществляется иначе, чем в газах. Молекулы в них могут совершать малые колебания в пределах, ограниченных межмолекулярными силами. Однако время от времени колеблющиеся молекулы в результате флюктуаций могут получать от соседних молекул избыточную энергию, достаточную для того, чтобы совершить скачок на некоторое расстояние. В новом месте частица проведет некоторое время, совершая колебания, пока снова не получит в результате флюктуаций нужную энергию и не совершит скачок. В этом и заключается сущность теплового движения молекул в жидкости.

Сейчас рассмотрим, как ведут себя молекулы жидкости в поверхностном слое у стенки сосуда. Если молекулы находятся на удалении от этого слоя, то их флюктуационные скачки одинаковы по длине во все стороны и они хаотически могут блуждать равновероятно во все стороны. Но когда молекулы приближаются к стенке на расстояние меньшее длины одного скачка, то эта молекула способна совершить в направлении к стенке более короткий скачок, чем в обратном направлении (см. рис. 28, г). Значит, она будет относительно меньше времени задерживаться у стенки и, наоборот, больше времени проводить в стороне более длинного скачка от нее. Следовательно, молекула стремится удалиться от стенки на расстояние, большее длины одного скачка, где она находится в равновесном состоянии. Вспомним приведенную выше ситуацию в игре с водящим, который, оказавшись вблизи цепочки игроков, стремится скорее отойти от нее в наиболее устойчивую позицию. В данном случае для каждой молекулы стенка служит преградой, заставляющей ее отталкиваться и удаляться от нее.

На место ушедшей молекулы жидкость, как и газ, стремится выдавить из своего объема другую молекулу, чтобы занять ее место. Но дело в том, что сначала молекула скачком удаляется от стенки и позади нее на какое-то мгновение остается пустота – дырка, и только затем эту дырку будут стремиться заполнить другие молекулы. Иначе говоря, между уходом молекулы и приходом на ее место другой в какой-то период времени в поверхностном слое жидкости будет существовать вакуумная пустота. Чем ближе та или иная молекула располагается к стенке, тем быстрее она будет удаляться от нее и, следовательно, тем больше будет здесь таких уходов-приходов. Значит, тем больше будет дырок по мере приближения к границе жидкости в поверхностном слое и тем больше жидкость будет разуплотняться.

Создание таким образом разуплотнения жидкости в поверхностном слое обусловливает и создание поверхностного натяжения. Такую модель его формирования я назвал моделью магнитно притягивающихся друг к другу и подпрыгивающих шариков в сосуде с магнитными стенками и сетчатым дном. Если шарики лежат спокойно на дне сосуда, то никакого состояния натяжения они не испытывают, так как, располагаясь плотно, они могут только скользить относительно друг друга вдоль своих поверхностей, которые не позволяют им сблизиться дальше, а для удаления друг от друга не создается соответствующих условий. Подобное наблюдается в глубинных слоях жидкости. По существу, поверхность шариков соответствует равнодействующей между короткодействующими силами отталкивания (электронные оболочки) и дальнодействующими (ван-дер-ваальсовыми) силами притяжения в жидкости.

Страницы: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56