3. Поверхностное натяжение

Сила притяжения между молекулами, которая придает спаянность жидкости, является источником самых разных явлений в повседневной жизни.

Капли воды

Приоткройте немного кран у себя в ванной, вода начнет сочиться и формировать капли, которые падают, только достигнув определенного веса. Причина в том, что молекулы воды притягиваются друг к другу и к молекулам крана: это притяжение вверх (к крану) компенсирует вес капли. По мере того как капля растет, ее вес увеличивается, пока она наконец не сможет оторваться от крана.

Падающая капля имеет форму сферы: причина опять-таки в том, что в ней все молекулы притянуты друг к другу.

Проведем аналогию с Землей: если материя на ее поверхности находится на возвышении (например, на горе), рано или поздно она неизбежно стремится упасть вниз (обрушение скал из-за эрозии рек, уносящих материю вниз). Именно это и является причиной того, что Земля круглая: всякая неровность в конце концов исчезает из-за земного притяжения.

По тому же принципу капля воды притягивает любую возможную неровность, что позволяет ей сохранять форму сферы.

Приоткройте кран еще немного: теперь капли воды находятся слишком близко друг к другу, чтобы падать по одной, и образуют струю. Позвольте воде пролиться до дна ванны, она проложит себе путь к сливному отверстию. Вы видите, что, когда дорога проложена, вода с удовольствием устремляется по ней. Было бы очень трудно заставить воду изменить маршрут, даже если вы измените почву, потому что молекулы воды притянуты своими предшественницами и стремятся пройти тот же путь, что и они.

Контакт воды на поверхности

Проведем другой, очень известный опыт: медленно поднесите ладонь к поверхности воды. На небольшом расстоянии вы вдруг почувствуете, что вода притягивается к вашей ладони. Если вы захотите убрать руку, то ощутите некоторое сопротивление из-за притяжения между вашей рукой и молекулами воды.

Это же является причиной возникновения «мениска», который появляется на поверхности воды в стакане: вода поднимается по стенкам, несмотря на силу тяжести, потому что молекулы воды крепко притягиваются молекулами стакана. Данный феномен называется капиллярностью.

Это явление особенно заметно в очень узких стаканах. В стеклянной трубке с маленьким диаметром вес воды достаточно небольшой, чтобы жидкость могла сама по себе подняться на несколько сантиметров, притянутая стеклянной стенкой. Тот же процесс капиллярности наблюдается во время подъема сока внутри дерева.

Поверхностное натяжение и вертикальная сила

Рассмотрим наконец последний, довольно классический опыт: осторожно положите булавку на поверхность воды. Булавка не утонет, хотя ее плотность больше плотности воды. Чтобы убедиться в этом, надавите на булавку пальцем. Когда вода покроет ее целиком, она утонет. Рис. 10.5 позволяет понять, что происходит: мы изобразили углубление на поверхности воды, вызванное присутствием предмета, положенного сверху. Силы притяжения заставляют молекулы воды (шарики) максимально сблизиться друг с другом: в этом случае говорят, что на поверхности воды возникло «поверхностное натяжение».

Мы показали стрелками силы, которые действуют на молекулу на дне углубления, возникающие из-за притяжения между молекулами. Глядя на изгиб углубления, мы ясно видим, что это вызывает силу, в целом направленную вверх, которая стремится поднять молекулу вверх. Эта сила, направленная вверх и возникшая благодаря поверхностному натяжению, может компенсировать вес, направленный вниз: поэтому предмет держится на воде. Одним словом, вода пытается поднять любое углубление, образованное предметом на ее поверхности, что вызывает силу, направленную вверх, которая не дает предмету тонуть.

Поверхностное натяжение объясняет, каким образом некоторые насекомые могут передвигаться, скользя по поверхности воды, в то время как их лапки должны были бы погрузиться в воду: понаблюдав за ними, мы заметим небольшие углубления возле их лапок, которые и являются причиной этого чуда.

Рис. 10.5 – Деформация поверхности воды и поверхностное натяжение

4. Движение и температура газа

Теплый воздух поднимается…

Происхождение феномена

Тепловые аспекты газа во время расширения и компрессии лежат в основе многих распространенных явлений, и сейчас мы рассмотрим их.

Для начала вспомним формулу «идеального газа» P = nkT.

Она показывает, что давление пропорционально произведению концентрации и температуры. Этот факт, установленный опытным путем, позволил сделать заключение, что температура связана со средней кинетической энергией молекул: бóльшая кинетическая энергия делает столкновения между молекулами сильнее, а значит, повышает давление. Бóльшая концентрация также вызывает больше столкновений молекул и тоже повышает давление.

Это приводит нас к первому интересному заключению. Рассмотрим горячий воздух температурой 100 °C на уровне земной поверхности при атмосферном давлении 1 бар. Поскольку его температура выше окружающего воздуха, следовательно, концентрация молекул меньше. На самом деле в состоянии равновесия давление P = nkT одинаково для теплого и для холодного воздуха (а иначе силы давления тут же привели бы молекулы в зону более низкого давления): если T больше, значит, n меньше. В каком-то смысле более сильные столкновения молекул заставляют горячий воздух занять больше места, что снижает его концентрацию.

Поскольку горячий воздух содержит меньше молекул, чем холодный (при одинаковом объеме), он более легкий: из-за действия силы Архимеда горячий воздух начинает подниматься вверх. На этом основан принцип действия воздушного шара, который надут горячим воздухом.

Попутно отметим разницу с аэростатом, который надут не воздухом, а другим газом легче воздуха (например, гелием), то есть в аэростате нет необходимости нагревать газ, поскольку он заведомо легче воздуха.

Воздействие на климат

Эта особенность воздуха лежит в основе многих климатических явлений первейшей важности.

Переместимся в центр Сибири. Она находится очень далеко от океанов. Между тем вертикальные течения океанов переносят энергию с поверхности до самых далеких глубин. Таким образом, требуется много энергии, чтобы нагреть поверхность океанов, что объясняет, почему их температура мало меняется в течение сезонов. То есть районы, близкие к океану, обладают более умеренным климатом, чем районы, расположенные дальше в глубине континента, как Сибирь.

Так, зимой в Сибири воздух очень холодный и стремится собраться у поверхности земли (холодный воздух опускается). Это приводит к росту давления: образуется обширный антициклон. Высокое давление приводит в движение воздушные массы, которые спешат покинуть эту зону: ветра дуют из центра континента к окраине. В Индии и Юго-Восточной Азии эти сухие ветра, пришедшие изнутри, не приносят никаких дождей. Наступает сухой сезон (зима).

Летом все наоборот. Внутренняя часть Азии сильно нагревается, воздух поднимается, что создает обширный циклон. Ветра, дующие с океана, притягиваются циклоном, и прибрежные районы Индии и Юго-Восточной Азии обильно поливает дождями. Это сезон дождей (лето). Такое чередование засушливого и очень влажного сезонов называется муссонным климатом.

В более широком смысле существование циклонов и антициклонов в основном связано с тепловыми колебаниями воздуха по всей планете. Именно это создает ветра и влияет на зоны плохой и хорошей погоды.

Расширение и сжатие газа

Охлаждение при расширении

Продолжим наше исследование теплового поведения газа. Представим давление в скороварке и внезапно освободим сжатый таким образом газ. Газ под таким давлением стремится лишь к одному: расшириться и занять больший объем. Поэтому будет стараться вырваться из узкого пространства скороварки, выходя через клапан.

Но рассуждения наши будут такими же, как при описании смены состояния материи: расширяющийся газ стремится занять место, уже занятое окружающим воздухом. То есть он будет расталкивать молекулы воздуха, а они будут этому сопротивляться. Они будут оказывать давление на газ, не давая ему увеличиться в объеме. То есть окружающий воздух оказывает работу сопротивления на расширяющийся газ.

Это значит, что энергия газа уменьшается. Это не «макроскопическая кинетическая энергия», поскольку газ был неподвижен в начале и станет неподвижным в конце. Значит, это «микроскопическая кинетическая энергия. Другими словами, температура газа уменьшилась из-за работы сопротивления воздуха.

Таким образом, расширение газа сопровождается снижением температуры. А сжатие газа вызывает повышение температуры.

Заметим, что сжатый газ, который стал теплее окружающего воздуха, в дальнейшем всегда может охладиться, потеряв энергию от теплоты в пользу окружающего воздуха.

Остается добавить пару замечаний к этим выводам:

• расширение, которое имело место во время перехода жидкости в газ, не сопровождается снижением температуры, потому что потеря энергии компенсируется теплотой, привнесенной извне (необходимо нагреть воду, чтобы она закипела, что позволит поддерживать одинаковую температуру);

• расширение газа в вакууме не сопровождается изменением температуры, поскольку расширяющийся газ не занимает ничье место (нет работы силы сопротивления).

Применение в холодильнике

Охлаждение газа при расширении лежит в основе работы холодильника: сначала мотор активирует компрессор, который сильно сжимает флюид, расположенный в задней части холодильника. Это сопровождается повышением давления и температуры. Затем, чтобы охладиться, флюид переходит в радиатор в задней части холодильника: теплота перешла в окружающий воздух помещения. Мимоходом заметим, что холодильник всегда нагревает помещение, в котором находится…

Сжатый таким образом и охлажденный при комнатной температуре флюид затем претерпевает в пути резкое внезапное расширение, что восстанавливает в нем нормальное давление. Этот процесс его сильно охлаждает: именно в этот момент флюид вступает в контакт с внутренностью холодильника. Будучи очень холодным, он охлаждает внутреннее пространство холодильника (передача энергии теплотой).

Интересно отметить, что в конце нам понадобилась энергия электричества, чтобы изъять энергию из внутренности холодильника (понижение температуры)… Таким образом, помещение не только получает обратно потраченное электричество, но и энергию изнутри холодильника. Одним словом, помещение получает больше тепловой энергии, чем холодильник ее теряет. Если бы мы оставили дверь работающего холодильника открытой, комната не переставая нагревалась бы: действительно, при сохранении энергии потребленная электрическая энергия обязательно куда-нибудь удаляется. В данном случае она преобразуется в микроскопическую кинетическую энергию помещения.

Понижение температуры на высоте

Завершим последним примером, касающимся явления, известного каждому: понижение температуры на высоте. Это кажется естественным, но происхождение его вовсе не тривиально.

Окружающий воздух находится в постоянном конвективном движении, воздушные массы поднимаются и опускаются. Это может, в частности, происходить из-за повышения температуры (теплый воздух поднимается) или ее понижения (холодный воздух опускается).

Но когда воздух поднимается, он достигает высот, где давление более низкое. Таким образом, поднявшийся воздух расширяется, давление внутри его постепенно ослабевает (так же, как расширяется пар в скороварке, возвращаясь к атмосферному давлению). А где расширение, там охлаждение: температура поднявшегося воздуха падает. Так же как опустившийся воздух вновь сгущается, и температура его растет.

Таким образом, понижение температуры на высоте напрямую связано с понижением давления, которое зависит от скопления молекул у поверхности земли, связанного с гравитацией.