Борис Кудрявцев - Первоначала вещей [Очерк о строении вещества]

Частицы мыла располагаются в поверхностном слое не беспорядочно.

Химики знают, что молекула мыла напоминает длинную цепочку, утолщенную на одном из концов. Свойства разных частей подобной нитеобразной молекулы различны. Утолщенный конец притягивается водой, в то время как остальная цепочка водою выталкивается. Благодаря этому мыльный слой на поверхности напоминает частокол или густую щетку (рис. 37).

Рис. 37. Строение поверхностного слои водного раствора мыла.

У мыльного пузыря две поверхности — внутренняя и внешняя, обе они покрыты частоколом молекул (рис. 38).

Рис. 38. Поверхностные слои в мыльном пузыре.

Торчащие из воды нитеобразные концы молекул мыла лишь слабо взаимодействуют друг с другом. Поэтому поверхности мыльных пузырей могут соприкасаться, а пузыри сливаться не будут. Обладая некоторой сноровкой, удается иногда выдуть один мыльный пузырь в другом (рис. 39) так, что меньший будет лежать в большем.

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…

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.