Кудрявцев Борис Борисович

Движение молекул

К ЧИТАТЕЛЮ

Ваши отзывы и пожелания о книжках «Научно-популярной библиотеки» просим направлять по адресу: Москва, Орликов пер., д. 3, Гостехиздат.

Редактор В А. Мезенцев, Текн. редактор Л А. Голубкова,

Подписан к печати 7.XI1 1950 г. 5v..ara 84х108^1/3,0,625 буи. л. 2,04 печ. л.2.12 уч. — из. л. 41,540 тип. ьр. в печ. л. Тираж 100 000. Т-0Л70. Цена 65 коп. Заказ № 261.

3-я типография «Красный пролетарий» Главполиграфиздата при Совете Министров СССР. Москва, Краснопролетарская, 16.

Введение

Около двух с половиной тысяч лет тому назад у человека возникла гениальная догадка о том, что весь окружающий его мир состоит из мельчайших частиц. Одним из первых, кто высказал это предположение, был греческий философ Демокрит, живший за пять веков до нашего летоисчисления. Эти мельчайшие частицы Демокрит считал неделимыми и назвал их поэтому атомами (атом — по-гречески — неделимый).

Демокрит думал, что всё многообразие окружающего нас мира вызвано различным движением и различными сочетаниями атомов.

«Всё состоит из атомов… вещи отличаются друг от друга атомами, из которых они состоят, их порядком и положением…», — писал Демокрит.

Тем, что всё состоит из атомов, Демокрит объяснял многие хорошо известные свойства вещей. Так, например, запах цветов он объяснял тем, что вылетающие из цветка атомы попадают человеку в нос и вызывают ощущение аромата.

В древности взгляды Демокрита пользовались широким распространением. Но вот, проходит несколько столетий, и учение Демокрита забывается. Получившая в средние века огромную власть христианская церковь старается увести человеческую мысль от всего материального-. Искусство и наука древней Греции объявляются языческими. Интерес к ним церковь считает грехом.

Более того. В феврале 1626 года парижский парламент под страхом смертной казни запрещает распространение мыслей о том, что всё в мире состоит из атомов.

Однако прошло несколько лет, и именно в Париже с новой силой зазвучали мысли Демокрита. На этот раз последователем Демокрита явился французский философ Гассенди.

Восстав против невежества средневековой науки я авторитета церкви, Гассенди в своих сочинениях настойчиво пишет о том, что всё в мире состоит из мельчайших невидимых глазом частиц.

Но Гассенди не удалось сделать учение об атомах общепризнанным. Проходит ещё около ста лет, и атомное учение находит себе нового замечательного защитника — великого русского учёного Михаила Васильевича Ломоносова. М. В. Ломоносов не только признаёт справедливость атомного строения окружающих тел, он использует учение об атомах для объяснения различных свойств и превращений вещества. Атомы помогают Ломоносову правильно объяснить, что такое теплота, понять, почему газы сопротивляются сжатию, найти законы, позволившие в будущем строить более совершенные машины, и т. д.

После Ломоносова учение об атомах завоёвывает всеобщее признание.

Однако это происходит далеко не сразу. Ещё во второй половине прошлого столетия идеалисты разных мастей пытались всячески помешать распространению атомного учения. Многие горе-теоретики старались «изгнать» из науки атомы, этот, как они говорили, плод человеческого воображения.

Только в результате длительной и напряжённой борьбы, в которой мысли, высказанные впервые Ломоносовым, отстаивались передовыми исследователями различных стран, атомное учение сделалось общепризнанным.

В борьбе за атомное учение особенно велики заслуги австрийского физика Л. Больцмана, талантливого польского учёного М. Смолуховского и недавно умершего друга Советского Союза француза Ж. Перрена.

В этой книжке рассказывается о главном, неотъемлемом свойстве невидимых частиц вещества — об их движении и о связанных с этим свойствах тел.

1. М. В. Ломоносов

В истории человечества известно много величайших учёных, художников, поэтов. Однако вряд ли мы найдём среди них другого человека, столь богато и разносторонне одарённого природой, как М. В. Ломоносов.

Михаил Васильевич Ломоносов родился осенью 1711 года в деревне Денисовке, расположенной на острове Куростровском в устье Северной Двины, напротив города Холмогор.

В 1730 году, 19 лет от роду, Ломоносов уходит от родных в Москву и поступает в школу, называвшуюся «Славяно-греко-латинской Академией». Спустя четыре года Ломоносов, как один из лучших учеников, направляется в Петербург — в Университет, а ещё через полгода он командируется за границу для обучения металлургии и горному делу.

За пять лет, проведённых за границей, Ломоносов воспринял у своих иностранных учителей все знания, которые они могли ему передать. Однако учение у иностранцев не сделало Ломоносова подражателем. Проходит немного времени, и Ломоносов в ряде случаев становится учителем своих недавних наставников.

Трудно охватить круг интересов Ломоносова — настолько он велик. А. С. Пушкин говорил о Ломоносове, что он, «соединяя необыкновенную силу воли с необыкновенной силой понятия, обнял все отрасли просвещения. Историк, ритор, механик, химик, минералог, художник и стихотворец, — он всё испытал и всё проник».

Разносторонность таланта Ломоносова настолько поражала иностранцев, что они не могли представить себе, что это был один человек. Ещё недавно в некоторых иностранных книгах по истории химии писали, что было два Ломоносова: один химик, а другой поэт!

Как и все лучшие сыны русского народа, Ломоносов горячо любил родину и много усилий приложил для увеличения её мощи, для улучшения жизни народа. Заботясь о распространении знаний, Ломоносов организовал Московский университет, являющийся до сих пор одним из крупнейших научных центров нашей страны.

Автор замечательных поэтических произведений, Ломоносов писал о русском языке: «Карл пятый Римский император говаривал, что испанским языком с богом, французским с друзьями, немецким с неприятелем, итальянским с женским полом говорить прилично. Но если бы он русскому языку был обучен, то, конечно, добавил бы, что им со всеми говорить возможно. Ибо нашёл бы в русском языке великолепие испанского, живость французского, крепость немецкого, нежность итальянского».

В самых различных областях знания работал Ломоносов. Но особенно много он занимался физикой и химией.

Ломоносов создал первую в России химическую лабораторию, предназначенную для чисто научных исследований. Он первый понял значение взвешивания веществ при химических превращениях.

Производя опыты, Ломоносов подтвердил великий закон природы, открытый им раньше.

Ещё в 1748 году Ломоносов писал: «Все перемены в природе случающиеся такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько присоединится к другому… Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения…». Значение этого всеобщего закона сделалось ясным только в наше время. Этот закон должен по справедливости называться законом Ломоносова.

Изучая свойства тел, великий русский учёный объясняет истинную причину таких свойств, как упругость газов, нагревание тел при трении и т. д.

Что происходит с телами при нагревании? Что такое тепло? Почему тела притягиваются к земле? Почему газ сопротивляется сжатию? Почему тело, выставленное на мороз, охлаждается? — эти вопросы особенно интересовали науку во времена Ломоносова.

В то время в европейской науке существовал один ответ на все перечисленные выше вопросы. Для объяснения непонятных явлений наука располагала тогда целым набором таинственных «невесомых веществ» или, как их называли, «материй». Например, существовали «невесомая тепловая материя», «невесомая материя упругости», «материя холода» и т. д. При помощи этих «материй» можно было на словах объяснить всё, что угодно, по существу не объясняя ничего. Вас, например, интересует, почему вода в чайнике, поставленном на огонь, нагревается? Ответ готов: невесомая тепловая материя, выделяемая огнём, входит в воду, и вода нагревается!

Михаил Васильевич Ломоносов (родился в 1711 году, умер в 1765 году).

Вы хотите знать, почему газ сопротивляется сжатию? Потому что в нём имеется невесомая материя упругости, которая и противится уменьшению объёма, занимаемого газом.

Такое «объяснение» непонятных явлений напоминает рассуждение невежественного врача в одной из комедий. Как известно, в зёрнах мака имеется снотворное вещество — опий. Невежественный врач объяснял снотворное действие опия, говоря, что «опий усыпляет потому, что он обладает усыпляющими свойствами»!

Ясно, что такого рода объяснения ничего не объясняют, не помогают нам понять, почему в природе происходят те или иные явления.

И вот с этими «невесомыми материями» и начинает борьбу Ломоносов. В своих сочинениях он доказывает, что и тепло и упругость газов можно объяснить, не пользуясь таинственными «материями».

Как же это можно объяснить?

Ломоносов считал, что все тела состоят из мельчайших частиц, или, как он их называл, корпускул. Корпускулы чрезвычайно малы, и потому даже в небольшом количестве вещества их должно быть очень много.

Движение и взаимодействие корпускул и определяют свойства тел.

Идеи Ломоносова были встречены чрезвычайно, враждебно большинством заграничных учёных. В 1754 году некий Арнольд для получения учёной степени в Эрлангенском университете (Германия) написал сочинение, в котором «с успехом доказал» неправильность объяснения теплоты, которое было дано Ломоносовым.

Но беспристрастный суд истории доказал, что прав был Ломоносов. Его идеи были в дальнейшем развиты трудами многих исследователей в стройное учение, которое мы и постараемся изложить далее.

2. Вечное движение

Развитие науки за последние 150 лет наглядно доказало правильность гениальных мыслей Ломоносова.

Частицы, которые великий учёный назвал корпускулами, позднее стали называть молекулами. Молекулы действительно очень малы (рис. 1).

Насколько малы молекулы и как много их в любом теле, можно видеть из такого примера. Представьте себе, что мы взяли стакан воды и при помощи особой краски переметили все находящиеся в этой воде молекулы.

Выльем этот стакан воды с мечеными молекулами в океан и перемешаем воду равномерно между всеми океанами, морями и реками мира. Если теперь в любом месте зачерпнуть стакан воды, то в нём окажется около сотни знакомых нам меченых молекул!

Молекулы так малы, что трудно представить себе их состоящими из ещё более мелких частиц. А между тем молекулы действительно состоят из ещё более мелких частиц, которые теперь и называются атомами.

Рис. 1. Если сложить вместе столько песчинок, сколько содержится молекул воздуха в одном кубическом сантиметре, то получится куча, которая закроет большой завод.

В нашей книжке, однако, мы будем рассматривать такие свойства тел и такие их изменения, при которых сложное устройство молекул никак не сказывается. Поэтому мы будем молекулы представлять себе в виде очень маленьких твёрдых шариков, не задумываясь о том, как они устроены.

Рис. 2. Так выглядят в электронном микроскопе молекулы одного сложного химического соединения.

Несмотря на то, что молекулы нельзя увидеть даже в самый сильный из обычных микроскопов, учёные нашли способы с полной достоверностью доказать их существование. А в недавнее время удалось построить замечательный прибор — электронный микроскоп, который увеличивает настолько сильно, что с его помощью можно увидеть и отдельные молекулы! На рисунке 2 изображена сделанная при помощи электронного микроскопа фотография молекул одного сложного химического соединения. Правда, такие молекулы являются гигантами в мире молекул. Обычно же молекулы настолько малы, что и в электронный микроскоп мы не можем их увидеть.

Каковы же свойства молекул?

«Первым и самым важным из прирождённых свойств материи является движение», — писали около 100 лет тому назад Маркс и Энгельс. Молекулы не находятся в покое, а непрестанно движутся.

Очевидно, и частицы воздуха, беспорядочно двигаясь, непрерывно ударяются, как бы обстреливают наши тела. Почему же мы не чувствуем этих ударов? Объяснение очень простое: молекулы, как мы знаем, чрезвычайно малы и легки, и наши органы чувств не воспринимают слабых ударов отдельных молекул. Не чувствуем же мы увеличения тяжести надетой на голову шляпы, когда на неё сядет комар. А комар состоит из многих миллиардов молекул!

Другое дело, если быстро движущаяся молекула ударяется об очень небольшую частицу, по размерам сравнимую с ней. В этом случае удар уже не пройдёт бесследно для частицы.

Каждый из вас не раз видел, конечно, как солнечный луч, попадая в тёмную комнату через щель ставня или неплотно задёрнутую штору, пронизывает воздух и делает видимым множество находящихся в нём мельчайших пылинок. Какое беспорядочное движение можно наблюдать при этом! Пылинки причудливо мечутся и кружатся, напоминая рой мошек в тёплый летний вечер. Такое же беспорядочное движение можно увидеть, если, вооружившись микроскопом, присмотреться к частичкам дыма обычной папиросы. И такое же причудливое движение совершают мельчайшие частицы, если поместить их в жидкость. Сложные запутанные узоры выписывают, например, частицы цветочной пыльцы, высыпанной в воду.

Пылинки неутомимы в своём движении! Сколько бы времени ни наблюдать — час, день, неделю, — пылинки с одинаковым усердием будут продолжать свою бесконечную пляску. В чём причина этого движения? Что заставляет частицы постоянно изменять свой путь, неожиданно бросаться в сторону, как будто наскочив на невидимое препятствие?

На первый взгляд, ответ очень прост: ведь окружающий нас воздух никогда не бывает полностью спокоен. Даже когда нет ощутимого ветра, и тогда движутся навстречу друг другу и взаимно перемешиваются потоки тёплого и холодного воздуха. Такие же тепловые потоки наблюдаются и в воде, нагретой в одном месте больше, чем в другом.

Не эти ли потоки, сталкиваясь друг с другом и взаимно перемешиваясь, заставляют пылинки двигаться? Ну, что же, это можно проверить! Возьмём стакан с водой, к которой подмешана цветочная пыльца, обмотаем его ватой, чтобы защитить и от нагревания и от охлаждения, и поставим на стол вдали от окна. Пройдёт несколько часов или, если хотите, дней, и вся жидкость сделается одинаково нагретой — тепловые потоки в ней исчезнут. Вероятно, и наши пылинки, не подгоняемые более, не движутся. Но вооружимся микроскопом, и мы снова увидим, что среди пылинок царит прежнее оживление; как и раньше, они беспорядочно мечутся, подгоняемые какой-то неведомой силой.

Значит, не перемешивание жидкости или газа, вызванное разной нагретостью его отдельных слоёв, — причина движения пылинок.

Поищем другое объяснение загадочного движения пылинок. Не мы ли с вами сами являемся причиной этого движения? Ведь стакан, в котором мы наблюдаем движение, стоит на столе, и мы, двигаясь по комнате, закрывая и открывая двери, непрерывно сотрясаем стол. А когда мы неподвижны, это за нас делают проезжающие по улице автомобили, трамваи, автобусы.

Чтобы избежать таких сотрясений, учёные опускались в подземелья, где сосуд с жидкостью находился в полном покое. Но и это не могло успокоить пылинки, они двигались по-прежнему неутомимо!

Что же заставляет их двигаться?

Рис. 3. Так располагаются мельчайшие частички в стакане с водой.

Если присмотреться к описанному опыту, то в глаза бросится обстоятельство ещё более странное, чем движение пылинок.

В самом деле, описанное явление можно наблюдать, подмешав к воде мельчайшие частицы любого вещества, нерастворимого в воде. Это вещество может быть и более тяжёлым, чем вода. В последнего случае частицы должны были бы потонуть и собраться на дне стакана. Однако, если мы проделаем такой опыт, например, с глиной, то убедимся, что частицы, вместо того чтобы упасть на дно стакана, расположатся так, как это изображено на рисунке 3. Внизу их будет больше, наверху меньше. И такое расположение не меняется, сколько бы времени мы ни наблюдали!

Что же мешает пылинкам упасть? Оказывается, одна и та же причина заставляет пылинки двигаться и не даёт им упасть. Это — удары молекул воды о пылинки.

Конечно, причудливые движения каждой пылинки не есть результат ударов отдельных молекул. Дело в том, что в каждое мгновение об одну из сторон пылинки ударяется или значительно больше молекул, чем о противоположную, или же молекулы, движущиеся с большей скоростью. Все эти удары складываются и заставляют пылинку двигаться в том направлении, в каком перемещаются избыточные или особенно быстрые молекулы.

Описанное движение мельчайших пылинок было названо по имени человека, открывшего его, броуновским движением. А теория, объясняющая беспорядочное движение частиц под влиянием ударов молекул, была развита польским учёным М. С. Смолуховским.

Броуновское движение позволяет учёным следить за движением молекул так же, как движение травы на лугу позволяет охотнику следить за бегущей в траве птицей.

3. Со скоростью пули

В жизни мы привыкли чаще иметь дело с твёрдыми и жидкими телами и реже с газами. Поэтому первые нам представляются более простыми и понятными, чем неосязаемые и невидимые газы. Однако не всё, к чему мы привыкли и что кажется нам простым и ясным, является в действительности простым. Оказывается, газы имеют более простое строение, чем жидкости или твёрдые тела; поведение молекул у них легче изучить и понять.

Если бы мы построили микроскоп, в который можно было видеть отдельные молекулы, и стали бы с его помощью рассматривать спокойный воздух или какой-либо другой газ, то обнаружили бы в «спокойном» воздухе или газе невообразимую сутолоку и суету. Молекулы газа движутся беспорядочно по всем направлениям с самыми различными скоростями. На первый взгляд здесь нет никакого порядка, никаких правил движения. Есть молекулы быстрые, есть и молекулы медленные; и те и другие движутся по всем направлениям. Однако если измерить скорости большого числа молекул, то окажется, что очень быстро и очень медленно движется совсем небольшая доля молекул.

Важный для науки закон, который указывает, как распределяются скорости между молекулами (то-есть сколько молекул движется медленно, сколько — быстро), был найден английским физиком К. Максвеллом.

По этому закону, правильность которого была проверена на опыте, подавляющее большинство молекул движется со скоростями, мало отличающимися друг от друга. Таким образом без большой ошибки можно считать, что все молекулы движутся с одной и той же средней скоростью.

Сказанное можно пояснить таким примером. Если собрать всех только что призванных в армию солдат одного года рождения построить их рядами так, чтобы в каждом ряду стояли солдаты одного роста; затем ряд самых высоких поставить справа, а самых низких — слева, как показано на рисунке 4, то окажется, что новобранцев очень высокого и очень маленького роста будет только несколько человек, а чем ближе к середине, тем длиннее будут ряды. Большинство призывников имеет близкий к среднему рост. Это правило будет выполняться всегда, когда мы будем брать достаточно большое количество призывников. Если же мы захотим проверить сказанное, взяв десять-одиннадцать призывников, то мы можем встретиться случайно со значительными отклонениями от этого правила. Точно так же и замена различных скоростей молекул средней скоростью не будет приводить к ошибкам только тогда, когда молекул достаточно много, потому что тогда доля молекул со скоростями, значительно отличающимися от средней, будет невелика. Но даже в очень небольшом количестве газа, например в объ'ёме, равном булавочной головке, содержится такое громадное число молекул, которое исчисляется единицей с 16 нулями. Поэтому во всех практических случаях можно без существенной ошибки считать, что все молекулы движутся с одной и той же средней скоростью.

Рис. 4. Распределение солдат по росту.

Какова же величина средней скорости движения молекул газа?

У разных газов она различна.

Самые быстрые молекулы — молекулы лёгкого газа водорода. Медленнее движутся молекулы кислорода. Ещё медленнее — молекулы углекислоты, тяжёлого газа, образующегося при многих химических превращениях, и, в частности, при горении.

При обычной температуре молекула водорода пробегает около 2 километров в секунду, то-есть около 7000 километров в час (рис. 5). Молекулы кислорода совершают за 1 секунду путь около 500 метров, то-есгь около 1800 километров в час. Скорость движения молекул углекислоты — 1200 километров в час. Ещё медленнее движутся молекулы некоторых сложных веществ. Например, молекулы вещества, называемого карбонилом никеля, проходят за час меньше 600 километров. Такую молекулу легко обгонит современный самолёт.

Эти цифры вызывают законное удивление. В самом деле, молекулы водорода, двигаясь беспрепятственно, облетели бы вокруг Земли по экватору всего за 6 часов. Даже медленная молекула углекислоты совершила бы это путешествие меньше чем за двое суток.

С другой стороны, мы знаем, как медленно распространяются запахи. Так, если на некотором расстоянии от нас разольют бензин, то необходимо некоторое время для того, чтобы запах дошёл до нас. Но ведь скорость распространения запаха — это и есть как будто скорость движения молекул пахучего вещества в воздухе. Как же примирить быстрое движение молекул, проходящих сотни метров в секунду, с медленным распространением запаха?

«Очевидно, что отдельные атомы воздуха, взаимно приблизившись, сталкиваются с ближайшими… вторые атомы, друг от друга отпрыгнув, ударились о более близкие к ним и снова отскочили; таким образом, непрерывно отталкиваемые друг от друга частыми взаимными толчками, они стремятся рассеяться во все стороны, писал М. В. Ломоносов.

Рис. 5. При обычных температурах молекулы водорода движутся быстрее самолёта и поезда.

Соударение молекул! Вот в чём причина медленного распространения запаха. Хотя молекулы газов и движутся с очень большими скоростями, они проходят без соударения только очень короткие пути — миллионные доли сантиметра.

Соударения резко изменяют направление движения молекул и придают их путям очень замысловатую форму (см. рисунок на обложке).

Таким образом., двигаясь очень быстро, но непрерывно меняя направление своего движения, молекулы как бы „толкутся“ на месте. В этом суетливом движении молекулы медленно перемещаются вперёд.

4. Что такое теплота

В обычной жизни мы различаем тела тёплые и тела холодные. Но что же такое теплота?

"Очень хорошо известно, — говорил Ломоносов, — что теплота возбуждается движением: от взаимного трения руки согреваются, дерево загорается пламенем, при ударе кремня об огниво появляются искры; железо накаливается докрасна от проковывания частыми и сильными ударами, а если их прекратить, то теплота уменьшается…".

Движение молекул — вот истинное объяснение теплоты, вот что предложил Ломоносов вместо излюбленной в его время "невесомой материи теплоты"!

Новизна и революционность мысли Ломоносова вызвали яростные нападки со стороны большинства зарубежных учёных.

Наиболее талантливые современники поняли и оценили значение идей Ломоносова, но официальная зарубежная наука в лице академий и университетов их отвергла. Гениальный математик, член Петербургской Академии наук Леонард Эйлер, которому Ломоносов послал свои сочинения, писал о его работах, что "они не токмо хороши, но и весьма превосходны, ибо он пишет о вопросах физических и химических весьма нужных, которых поныне не знали и истолковать не могли самые остроумные люди. Желать должно, чтобы и другие Академии в состоянии были произвести такие откровения, какие находил г. Ломоносов".

Часто о тепле и холоде мы судим по нашим ощущениям. Однако такое суждение очень неточно. В самом деле, когда мы заходим с мороза в комнату, даже плохо натопленную, нам кажется, что в ней тепло. Когда же мы утром встаём из тёплой постели, в той же комнате нам кажется холодно.

Можно проделать ещё такой опыт: взять три чашки, наполнить первую холодной водой, вторую тёплой и третью горячей. Если теперь вы опустите правую руку в чашку с горячей водой, а левую в чашку с холодной и, подержав их там некоторое время, перенесёте обе руки в чашку с тёплой водой, то по ощущению правой руки вода в чашке будет холодной, а по ощущению левой руки — горячей. Возникает затруднительное положение, какой из своих рук верить? Вот поэтому для суждения о том, насколько нагрето тело, лучше воспользоваться термометром.

Термометр придуман сравнительно недавно, всего лет 300 назад. Обычный термометр представляет собою узкую трубочку, заканчивающуюся снизу шариком, наполненным какой-либо жидкостью. Чаще всего шарик термометра наполняют ртутью или спиртом; бывают термометры, наполненные и другими жидкостями.

При нагревании жидкость расширяется и поднимается по трубке. Чем больше нагрев, тем выше по трубочке поднимается жидкость. Поместив сзади трубочки линейку с делениями, мы можем определять степень нагретости, или, как говорят, измерять температуру в градусах.

Наиболее часто за нуль градусов принимают температуру тающего льда, а за 100 градусов принимают температуру водяного пара около поверхности кипящей воды при нормальном атмосферном давлении (в одну атмосферу). Такой термометр называют термометром Цельсия. По этому термометру указывают температуру воздуха в сводках погоды, которые вы ежедневно слышите по радио.

Итак, мы говорим, что температура тёплого тела выше, чем температура холодного. Сторонники "тепловой материи" объясняли эту разницу в температуре очень просто — в тёплом теле "тепловой материи" больше, чем в холодном.

А как объяснить эту разницу с современной или, если быть справедливыми, с ломоносовской точки зрения?

Как вы уже знаете, можно без большой ошибки считать, что все молекулы в газе движутся с одной и той же средней скоростью. Если сравнить две порции одного и того же газа, взятые при разных температурах, то окажется, что средние скорости движения молекул в них будут различны. Чем выше температура газа, тем больше средняя скорость движения его молекул. Так, средняя скорость молекул кислорода, нагретого до 100 градусов тепла, будет почти в полтора раза больше, чем средняя скорость молекул того же кислорода, охлаждённого до 100 градусов мороза.

Вполне законно поэтому сказать, что температура газа является непосредственной мерой средней скорости движения его молекул. При этом, однако, надо помнить, что учитывается только средняя скорость беспорядочного движения молекул, только она определяет температуру.

Если взять бутылку, наполненную воздухом, и закрыть горлышко пробкой со вставленным в неё термометром, то можно, быстро двигая бутылку, придать всем молекулам, находящимся в ней, добавочную скорость. Однако, смотря время от времени на термометр, можно убедиться в том, что движение бутылки не вызывает повышения температуры. Это вполне понятно: ведь скорость беспорядочного движения молекул в нашем опыте не изменилась, а общее всем молекулам движение вместе с бутылкой не влияет на температуру.

Хорошо известно, что если привести в соприкосновение две порции газа, одна из которых холодная, а другая горячая, то первая нагреется, а вторая остынет, и вся смесь примет одинаковую температуру.

Это объясняется тем, что более быстрые молекулы нагретого газа, ударяя медленные молекулы холодного, отдают им часть своей энергии и благодаря этому сами начинают двигаться медленнее, "ибо тело, движущее своей силой другое, столько же оной у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает", как писал Ломоносов.

Спустя некоторое время, в результате бесчисленных соударений, установится общая всем молекулам смеси средняя скорость. Она будет больше, чем у холодной, но меньше, чем у горючей порции газа, и именно она определит температуру смеси.

Из того, что температура газа определяется скоростью движения его молекул, вытекают два важных заключения.

Повышая температуру газа, мы повышаем скорость движения его частиц и, поскольку для повышения скороста практически нет предела, то можно считать, что температура может неограниченно увеличиваться. Известно, что астрономы предполагают внутри звёзд температуры, исчисляемые миллионами градусов.

Рис. 6. Температура различных тел. На нижних рисунках указана температура поверхности Солнца и звёзд.

С другой стороны, "то же самое движение, — как писал Ломоносов, — может настолько уменьшиться, что никакое дальнейшее уменьшение движения будет невозможно". И Ломоносов совершенно правильно заключил, что "по необходимости должна существовать наибольшая и последняя степень холода".

Следовательно, нельзя безгранично охлаждать газ. Рано или поздно мы достигнем такой его температуры, когда скорость теплового движения молекул уменьшится до нуля. Дальнейшее охлаждение станет невозможным. Как оказалось, на 273,23 градуса ниже нуля надо охладить газ для того, чтобы прекратилось беспорядочное тепловое движение его молекул. Точку, лежащую на 273,23 градуса ниже обычного нуля, называют абсолютным нулём.

Не думайте, однако, что при абсолютном нуле полностью исчезнет движение, это прирождённое свойство материи. Нет. Исчезнет только тепловое движение, а сохранившееся движение уже не будет зависеть от температуры.

Свойства веществ сильно изменяются при очень низких температурах. При температуре около минус 200 градусов резиновый мячик делается хрупким, как стеклянный шарик; как серебряный, звенит при этой температуре свинцовый колокольчик.

Много интересного и нового открыли советские учёные, работающие в Институте физических проблем и изучающие свойства веществ при температурах, близких к абсолютному нулю.

5. На пути к порядку

До сих пор мы говорили только о газах, а что можно сказать о жидкостях? Как ведут себя их молекулы? Попробуем дать ответ и на этот вопрос.

Всякое вещество в жидком состоянии занимает объём меньший, чем в парообразном. Один стакан воды, например, занимает объём, равный приблизительно 0,2 литра. То же количество воды в виде водяного пара займёт объём, приблизительно в полторы тысячи раз больший (рис. 7). Значит, молекулы воды находятся много ближе друг к другу, чем молекулы водяного пара. Если молекулы газа или пара движутся по причудливо изломанным линиям, то в жидкости движение молекул больше напоминает дрожание, при котором молекулы только очень медленно перемещаются вперёд, постоянно возвращаемые назад ударами соседних молекул. Сравнительно редко какой-либо молекуле удаётся вырваться из тесного окружения своих соседей. Большую же часть времени она движется как бы в клеточке, стенки которой образуют ближайшие к ней молекулы.

Рис. 7. Если стакан воды обратить в пар, то пар при атмосферном давлении будет занимать бак объёмом в 320 литров.

Почему же поверхность спокойной жидкости представляется нам неподвижной, почему мы не замечаем непрерывного дрожания молекул?

Ещё Ломоносов в одном из своих сочинений писал: "Ведь нельзя отрицать существование движения там, где его не видно: кто, в самом деле, будет отрицать, что когда через лес проносился сильный ветер, то листья и сучки дерев колышатся, хотя бы при рассматривании издали глаз не видел движения. Точно так же как здесь вследствие расстояния, так и в тёплых телах вследствие (малости частиц движущейся материи, колебание ускользает от взора".

И в самом деле. Посмотрите на лезвие безопасной бритвы. Каким ровным и гладким оно нам представляется. А теперь взгляните на рисунок 8. На нём изображён маленький участок того же лезвия, каким он виден в электронный микроскоп. А ведь вы знаете, что обычные по своим размерам молекулы в электронный микроскоп не видны. Понятно поэтому, что нельзя увидеть глазами тепловое движение молекул.

Какую же скорость имеют молекулы жидкости?

Оказывается, что средняя скорость теплового движения молекул жидкости такая же, как и у газа, молекулы которого имеют тот же вес, взятого при той же температуре. И так же, как и у газов, у жидкостей скорость беспорядочного движения молекул растёт с ростом температуры.

Рис. 8. Фотография маленького участка лезвия безопасной бритвы, снятая при помощи электронного микроскопа.

Таким образом, тепловое движение молекул жидкости сходно с тепловым движением молекул газа. Однако между ними имеется и существенное различие. Молекулы газов, пробегая от одного соударения до другого большие пути, постоянно встречают разные молекулы и только чрезвычайно редко раз ударившиеся молекулы встречаются вновь. У жидкостей, наоборот, молекулы длительное время сохраняют своих соседей, и повторные соударения здесь уже не редкость. Полная беспорядочность, характеризующая газ, начинает здесь приобретать черты некоторого порядка.

6. В мире порядка

При затвердевании объём почти всех жидкостей уменьшается. Поэтому можно считать, что, как правило, молекулы или атомы в твёрдых телах расположены ещё ближе друг к другу, чем в жидкостях.

Если молекулы в газе находятся в полном беспорядке, а в жидкости беспорядочное движение молекул сочетается с некоторым порядкам в их расположении, то в твёрдых телах частицы располагаются уже в полном порядке.

Учёные придумали способы узнавать, как расположены частицы, образующие твёрдые тела. Оказывается, в твёрдых телах частицы занимают строго определённые положения. При затвердевании жидкости соседние частицы вещества располагаются в вершинах правильных геометрических тел: кубов, пирамид, призм и т. д.

Рис. 9. Строение кристалла поваренной соли.

Рис. 10. Строение кристалла графита.

Каждый из вас хорошо знает обычную поваренную соль, употребляемую в пищу. Каждая крупинка такой соли представляет собою один или несколько соединённых вместе кубиков. Такая форма частиц соли не случайна.

Поваренная соль — это химическое соединение двух различных веществ: хлора и натрия.

Частицы, образующие кристалл поваренной соли, являются не молекулами хлора и натрия, а электрически заряженными атомами этих веществ, так называемыми ионами. Если мы условимся частицу хлора (ион хлора) изображать чёрным шариком, а частицу натрия (ион натрия) белым, то в каждой крупинке поваренной соли частицы расположены так, как это изображено на рисунке 9. Здесь каждый чёрный кружок окружён шестью белыми, а каждый белый, в свою очередь, шестью чёрными. Такой порядок мы наблюдаем в любой части крупинки поваренной соли.

В других твёрдых телах порядок расположения частиц иной, но в каждом из них совершенно определённый.

Рис. 11. Разнообразные формы кристаллов.

Существует твёрдое тело — графит. Его применяют при изготовлении мелков карандашей. Графит построен из частичек углерода, из которого состоит и обычный древесный уголь. Расположение частичек в графите изображено на рисунке 10.

Как мы видим, здесь частички расположены иначе, чем в поваренной соли, но и здесь существует строгий порядок в их расположении.

Порядок в расположении частиц, из которых построены твёрдые тела, объясняет их правильную форму.

Если перед вами лежит бесформенная глыба, то это не означает ещё что в ней нарушен присущий твёрдому телу порядок частиц. Отколите маленькую крупинку и посмотрите на неё в лупу или микроскоп. Вы увидите чёткие грани и рёбра правильных геометрических фигур. Глыба образовалась случайным сращением множества маленьких, правильно огранённых частиц.

Так, поваренная соль, где бы мы её ни получили — в соляных копях, из солончаковых озёр близ Каспийского моря или из вод Северного Ледовитого океана, — всегда имеет форму кубиков. Если разбить кубик поваренной соли, он рассыплется на несколько меньших кубиков.

Твёрдые тела, имеющие присущую им от природы правильную форму, вызванную правильным расположением частиц их образующих, мы называем кристаллами.

Красивы и разнообразны кристаллы различных веществ (рис. 11).

Многие из них вы можете получить сами. Прибавьте к горячей воде какое-либо вещество, например поваренную соль или квасцы, пока оно не перестанет в ней растворяться. Перемешайте раствор, дайте нерастворившемуся веществу осесть на дно и осторожно слейте прозрачный раствор в чистый стакан. Поставьте стакан с раствором в тёплое спокойное от тряски место. Через несколько дней, когда часть жидкости испарится, на дно стакана выпадут кристаллы растворённого вещества.

Наше знакомство с твёрдыми телами будет неполно, если не упомянуть о твёрдых телах, не имеющих правильной формы, характерной для кристаллов. Взгляните на кусок оконного стекла. Специальной машиной ему придана хорошо знакомая нам форма тонкой пластинки. Если разбить кусок стекла, то среди осколков не удастся обнаружить правильных кристаллов. Очевидно, частицы стекла не расположены в таком строгом порядке, как частицы, образующие какой-либо кристалл. Современная наука подтвердила это заключение. Такие тела, как стекло, которые по своим механическим свойствам являются твёрдыми телами, но частицы которых расположены недостаточно упорядоченно для того, чтобы образовать кристаллы, называют аморфными телами.

Аморфные тела сами по себе очень медленно переходят в тела кристаллические. В стекле такой переход вызывает помутнение, а иногда и растрескивание и знаком многим из обыденной жизни.

Аморфными телами являются получившие в последнее время большое распространение как в быту, так и в технике различные пластические массы.

Часто одно и то же тело может существовать как в виде кристалла, так и в виде аморфного тела. Многие видели красивые кристаллы, так называемые "друзы" горного хрусталя. Если горный хрусталь расплавить, а затем охладить образовавшуюся жидкость, то мы вновь получим твёрдое тело, но теперь это будет аморфное кварцевое стекло. Как же расположены частицы, образующие кристалл и аморфное стекло?

Горный хрусталь, кварцевое стекло и многие другие вещества являются соединением атомов двух различных элементов. Если условиться изображать атомы одного из этих элементов чёрными кружками, а атомы другого белыми, то интересующее нас соотношение в расположении частиц несколько упрощённо будет изображено на рисунке 12. Слева на рисунке представлено расположение атомов в кристаллах, а справа — в стекле. Мы видим, что порядок, наблюдаемый в расположении атомов в крис галле, нарушается при превращении последнего в стекло. Однако полностью порядок в стекле не исчезает. Возле каждого атома, взятого в отдельности, порядок сохраняется неизменным, но он оказывается нарушенным, если рассматривать всё твёрдое тело целиком.

Может показаться, что в этом мире порядка, где каждая частица занимает определённое место, нельзя говорить о движении частиц. Однако это не так. И в кристаллах частицы находятся в вечном движении.

Рис. 12. Расположение атомов в воображаемом плоском кристалле (слева) и в таком же стекле (справа).

Какое же движение могут совершать частицы, занимающие неизменное положение?

Многие из вас помнят детскую загадку: "что весь день идёт, а с места не сходит?" Разгадка — "часы".

Действительно, взгляните, например, на часы-"ходики". Неутомимо снуёт взад и вперёд маятник ходиков, отсчитывая время. Вперёд, назад, снова вперёд и снова назад движется укреплённый на маятнике кружок. Мы говорим, что маятник колеблется.

Подобным же образом колеблются бесчисленные частички, образующие кристаллы.

При невысоких температурах размах колебаний, совершаемых отдельными частицами, невелик. Это позволяет получать электронно-фотографические изображения крупных молекул, подобные приведённому на рисунке 2.

Если подсчитать путь, пробегаемый колеблющимися атомами за одну секунду, сложив вместе отдельные совершаемые ими за это время колебания, то мы заметим, что этот путь будет зависеть от температуры. Чем выше температура, тем больше путь, а следовательно-, тем больше частота и размах совершаемых частицами колебаний.

Таким образом, и в случае твёрдых тел, так же как и в случае жидкостей и газов, для объяснения теплоты не надо прибегать к помощи таинственной "тепловой материи"; мы (можем вместе с Ломоносовым сказать: "теплота состоит во внутреннем движении материи".

Частицы твёрдых тел способны и перемещаться с места на место, но число таких "кочующих" частиц в твёрдых телах невелико. Однажды был проделан такой опыт: на тоненький золотой листочек был поставлен цилиндрик, сделанный из свинца, и оставлен в таком положении в покое. Спустя четыре года свинцовый цилиндрик был распилен сверху вниз, и оказалось, что частички золота, правда в ничтожных количествах, встречались по всей толще свинцового цилиндра. Этот опыт наглядно доказал, что какая-то доля частичек золота способна не только колебаться, но и перемещаться с места на место.

Таков характер движения (молекул в газообразных, жидких и твёрдых телах. Посмотрим теперь, как знание законов этого движения помогает нам объяснять многие явления, помогает покорять природу.

7. Молекулярная артиллерия

Газы и пары играют важную роль в различных машинах. Водяной пар толкает поршень в цилиндрах паровых машин, приводит в быстрое движение колёса турбин. Газы, образующиеся при сгорании топлива, заставляют работать различные двигатели внутреннего сгорания, приводя в движение автомобили, тракторы, самолёты. Вылетающие из реактивного двигателя газы сообщают большие скорости реактивным самолётам. Газы, получающиеся при взрыве пороха, придают огромные скорости снарядам различных орудий.

Для увеличения промышленной мощи нашей родины, для того чтобы строить хорошие турбины, паровозы, тракторы, для укрепления обороны страны, для постройки мощных пушек, для создания самолётов — всюду необходимо знание свойств газов.

Понять и объяснить свойства газов позволяет движение молекул. Знание законов этого движения даёт возможность предвидеть поведение газов в различных условиях.

Разберёмся в этом.

Если уменьшать объём, занимаемый каким-либо Газом, газ сопротивляется этому. Совершенно отчётливо это можно ощущать, когда накачивают воздухом велосипедную шину.

Сопротивление газа сжатию называют упругостью. Упругость — одно из основных свойств всех газов.

Как объяснить упругость, в чём её причина?

Попробуем ответить на этот вопрос, пользуясь нашими знаниями о строении газов. Представим себе такой опыт. У обычных весов, на которых взвешивают хлеб, одна чашка плоская, а другая в виде тарелки. Выставим весы на дождь и над вогнутой чашкой устроим навес так, чтобы дождевые капли на неё не попадали (рис. 13). Дождевые капли будут ударяться об открытую плоскую чашку весов и стекать с неё. Удары отдельных капель будут складываться и как бы давить на чашку, которая при этом опустится. Чтобы привести весы в равновесие, надо положить на вторую чашку гири. Уравновесив весы и подсчитав вес положенных гирь, мы определим силу, с которой дождь давит на открытую чашку весов.

Если теперь заменить плоскую чашку чашкой того же веса, но больших размеров, то для уравновешивания весов понадобится и больше гирь. Следовательно, один и тот же дождь давит на большую чашку весов с большей силой. Поэтому если мы хотим указанным способом охарактеризовать силу, с которой давят падающие капли дождя, то необходимо условиться, каких размеров мы будем брать плоскую чашку. Проще всего принять поверхность такой условной чашки равной одному квадратному сантиметру.

Если для поддержания весов в равновесии в описанном опыте пришлось положить на закрытую чашку 400 граммов, а поверхность открытой чашки была 20 X X 20 = 400 квадратных сантиметров, то, значит, дождь давил на чашку с силой, равной 400 г/400 см^2, то-есть с силой в 1 грамм на каждый квадратный сантиметр поверхности чашки.

Силу, приходящуюся на единицу поверхности, называют давлением, и мы можем сказать, что давление дождя в описанном опыте равнялось одному грамму на квадратный сантиметр поверхности.

Какое же отношение имеет сказанное к свойствам газов? Самое непосредственное!

Рис. 13. Падающий дождь давит на открытую чашку весов с силой, которую можно измерить.

Мы знаем, что молекулы газов беспорядочно движутся со скоростями, близкими к скорости полёта пули. При своём движении молекулы соударяются со своими соседями и сталкиваются со стенками сосуда, в который заключён газ. Если наполнить бутылку обычным, не сжатым воздухом, то число ударов, которое испытывает каждый квадратный сантиметр поверхности бутылки в 1 секунду, выражается цифрой с 22 нулями! Это — очень большое число. Если бы такое число просяных зёрен положить рядышком одно к другому, то можно было бы сто раз протянуть эту дорожку из зёрнышек до одной из ближайших звёзд и обратно.

Таким образом, на стенки бутылки непрерывно падает чрезвычайно частый дождь мельчайших "капелек" вещества — молекул. Частицы газа как бы бомбардируют стенки сосуда.

Удары отдельных молекул так слабы, что не отмечаются ни приборами, ни нашими органами чувств, по так часто следуют друг за другом, что, сливаясь вместе, производят давление, которое уже нетрудно измерить приборами или ощутить непосредственно.

От чего зависит давление газа?

Очевидно, что чем больше молекул ударится в единицу времени о поверхность, тем большее давление будет она испытывать. Кроме того, давление зависит от скорости, с которой ударяются о поверхность молекулы газа. Чем быстрее движутся молекулы, тем сильнее они ударяются о стенку и тем больше будет производимое ими давление.

А что же происходит при сжатии газа?

Уменьшив объём, занимаемый газом, в два раза, мы тем самым в два раза увеличим число молекул в каждом кубическом сантиметре, а значит, в два раза увеличим число ударов о стенки сосуда в каждую секунду.

Если сжимать газ при постоянной температуре, то скорость молекул не изменяется; они будут ударять о стенки с прежней силой, только чаще. Так, в нашем примере молекулы будут ударять о стенки в два раза чаще, и значит, в два раза возрастёт давление газа.

При очень быстром сжатии газ может сильно нагреваться. Кто знаком с работой дизельного мотора, тот знает, что в цилиндрах этой машины нет никаких "свечей" или других средств зажигания. Поршень, двигаясь внутрь цилиндра, заполненного горючей смесью, сообщает её молекулам такую скорость, что смесь разогревается до температуры вспышки. Воспламенившись, смесь быстро сгорает. Температура продуктов горения поднимается при этом ещё выше, давление в цилиндре увеличивается, и поршень отбрасывается назад.

Вспомните, что, накачивая велосипедную шину, вы ощущаете, как нагревается насос. Многие скажут, что он нагревается благодаря трению поршня о стенки насоса. Это не совсем верно. Качайте этим же насосом воздух не в шину, а просто в атмосферу. Если насос при этом и нагреется, то слабее, чем в первый раз. Вторая причина нагревания насоса заключается опять-таки в том, что, быстро сжимая газ, вы увеличиваете среднюю скорость его молекул, или, другими словами, повышаете его температуру.

При расширении сжатых газов наблюдается обратная картина — они охлаждаются.

Давление быстро растёт при нагревании газов. Как это объяснить?

Вы уже знаете, что при нагревании газа скорости молекул увеличиваются. Быстрее двигаясь, молекулы чаще ударяются о стенки, и каждый удар их сильнее, чем при низкой температуре. Понятно, что возникающее от сложения ударов отдельных [молекул давление газа в этом случае будет значительно больше.

Такова причина упругости газов. Впервые указал её М. В. Ломоносов.

"Мы считаем излишним, — писал Ломоносов, — призывать на помощь для отыскания причины упругости воздуха ту своеобразную блуждающую жидкость, которую очень многие — по обычаю века, изобилующего тонкими материями, — применяют обыкновенно для объяснения природных явлений; мы довольствуемся тонкостью и подвижностью самого воздуха и ищем причину упругости в самой материи его".

8. Жидкие газы

Сжимая какой-либо газ, мы уменьшаем расстояние между его молекулами. Увеличивая давление, можно очень сильно сблизить молекулы газа.

Вы уже знаете, что движение молекул жидкости напоминает движение молекул газа. Разница между газом и жидкостью заключается, повидимому, только в том, что в газе молекулам предоставлено гораздо больше места, чем в жидкости. Что же будет, если мы, увеличивая давление, сблизим молекулы газа до тех расстояний, на которых находятся друг от друга молекулы жидкостей? Не превратится ли газ в жидкость?

Этот вопрос давно привлекал внимание учёных. Более ста лет тому назад, в 1823 году, этим вопросом заинтересовался молодой английский физик М. Фарадей. Он производил много опытов, настойчиво пытаясь найти ответ на интересующий его вопрос.

Однажды, когда он ставил очередной опыт, пытаясь превратить в жидкость удушающий газ хлор, в лабораторию вошёл его руководитель. Вместе с ним зашёл его приятель. Последний, заметив на стенках прибора маслянистую жидкость и думая, что прибор загрязнён каким-то маслом по небрежности Фарадея, сделал учёному замечание. На следующее утро почтальон принёс ему письмо молодого физика. Письмо было кратким: "Масло, замеченное Вами вчера, было не чем иным, как жидким хлором".

Что же происходит при сжатии газа? Почему газ превращается в жидкость?

До сих пор при обсуждении свойств мельчайших частиц вещества — атомов и молекул — мы умалчивали об одном важном их свойстве. Атомы и молекулы любого вещества притягиваются друг к другу особыми силами — силами молекулярного сцепления, подобно тому, как все тела притягиваются к земле силой тяготения. Пока расстояния между молекулами велики, силы молекулярного сцепления малы. Однако они быстро растут по мере того, как это расстояние уменьшается. Таким образом, при сжатии газа силы сцепления молекул друг с другом возрастают. Этих сил и оказывается достаточно для того, чтобы при комнатной температуре, когда молекулы газа движутся быстро, превратить в жидкость многие газы.

Так были получены жидкие газы: хлор, аммиак, углекислота и другие.

Однако не все газы удаётся превратить в жидкость при комнатной температуре. Имеется много газов, которые при обычной температуре не ожижаются, какое бы высокое давление вы ни применили. К таким газам относятся кислород, азот, водород и т. д. Для них было придумано даже специальное название — "постоянные" газы. Так называли их, желая, подчеркнуть невозможность превращения их в жидкость.

В чём же причина загадочного "постоянства" кислорода, азота и других несжижающихся газов?

Правильный ответ на этот вопрос дал великий русский учёный Дмитрий Иванович Менделеев. Он рассуждал так: когда сжимается какой-нибудь газ, силы молекулярного сцепления помогают сжатию, стараются ещё сильнее сблизить молекулы друг с другом. Этому сближению, однако, противится тепловое движение (молекул, которое заставляет молекулы рассеиваться во все стороны, вызывает в газе стремление расшириться и занять возможно больший объём.

Дмитрий Иванович Менделеев (родился в 1834 году, умер в 1907 году).

Если силы сцепления велики, они могут преодолеть стремление газа к расширению, удержать молекулы друг около друга и таким образом создать некоторый порядок, характеризующий жидкость.

Но когда силы сцепления невелики, тепловое движение молекул не позволит газу превратиться в жидкость, силы сцепления не смогут преодолеть стремление молекул улететь друг от друга возможно дальше. В этом и заключается причина "постоянства" таких газов, как кислород, азот или водород. Встречаем ли мы здесь непреодолимое препятствие, поставленное природой на пути человека? Отнюдь нет!

Для того чтобы превратить в жидкость "постоянные" газы, необходимо лишь сильно охладить их. При понижении температуры скорость движения молекул уменьшается, стремление их рассеяться в разные стороны падает, и сил сцепления оказывается достаточно для сжижения газа.

Д. И. Менделеев указал, что для всякого газа существует такая температура, выше которой его никаким давлением нельзя превратить в жидкость. Выше этой температуры жидкость существовать не может. Менделеев назвал эту температуру "температурой абсолютного кипения".

В наше время её называют "критический температурой" вещества.

Критические температуры различных веществ сильно отличаются друг от друга. Так, водяной пар нельзя превратить в воду, если он нагрет выше 374 градусов, кислород же нельзя превратить в жидкость, если он не охлаждён до 119 градусов ниже нуля.

Отсюда понятно, почему так долго не могли превратить "постоянные" газы в жидкости. Температуры этих газов были выше их критических температур. Когда одновременно со сжатием начали сильно охлаждать газы — до температур ниже критической, то все известные газы были превращены в жидкость, и само название "постоянные газы" потеряло смысл.

В наше время даже в школе вы можете часто видеть голубую подвижную жидкость, налитую в небольшой сосуд с двойными стенками, посеребрёнными изнутри. Это — жидкий воздух. Самый обыкновенный воздух, который окружает нас и которым мы дышим, превращён в жидкость.

Рис. 14. Для того, чтобы сжать воду в стакане только на 4 процента, на неё нужно давить с силою в несколько десятков тонн.

Жидкий воздух и жидкий кислород имеют огромное значение для промышленности. Так, применение кислородного дутья увеличивает производительность доменных печей больше чем в два раза. Велико значение кислорода при газификации топлива, в частности, при подземной газификации углей. Кислород необходим для повышения производительности сернокислотных заводов, для получения крепкой азотной кислоты и т. д.

Большое значение для народного хозяйства имеет ожижение и других газов, например аммиака, хлора, углекислоты.

Если газ достаточно охлаждён, то нет необходимости применять для его ожижения особенно сильное давление. Так, при критических температурах водород становится жидким уже при 12,8 атмосферы, кислород — при 50,8 атмосферы.

Чем больше охлаждён газ, тем меньшее давление требуется для ожижения его. Вспомните, как легко превращается пар в воду на холодных предметах, внесённых в комнату, или на стёклах окна в зимнее время. Незначительное понижение температуры воздуха летней ночью вызывает уже появление росы.

Ожижение газа является ярким доказательством наличия сил молекулярного сцепления. Но если эти силы действительно существуют, то возникает вопрос: почему молекулы газа при столкновении не прилипают одна к другой, а разлетаются после удара в разные стороны?

Чтобы объяснить это, мы должны признать, что наряду с силами притяжения между молекулами существуют и силы отталкивания. Но проявляют себя эти силы только тогда, когда молекулы сильно сближены.

В жидкости молекулы находятся значительно ближе друг к другу, чем в газе. Сблизить их ещё больше очень трудно — силы отталкивания противодействуют этому сближению. Поэтому жидкости очень мало сжимаются, и можно считать, что практически они вовсе не могут быть сжаты. Чтобы уменьшить объём воды путём сжатия всего на 4 процента, надо подвергнуть её давлению приблизительно в тысячу атмосфер (рис. 14).

9. Три состояния вещества

Мы часто видим, как струи водяного пара вырываются из отверстия в крышке чайника, если в нём кипит вода. В жаркий летний день мы с удовольствием пьём холодную чистую жидкость — родниковую, колодезную или водопроводную воду. Зимние морозы сковывают реки и озёра толстой коркой твёрдой воды — льдом. Так, одно и то же вещество, в зависимости от условий, может быть твёрдым, жидким или газообразным.

Сами молекулы при таких превращениях обычно не изменяются. Пар можно превратить в жидкую воду, а затем в лёд; лед перевести снова в воду и пар. При этих переходах изменяются только расстояния между молекулами и силы взаимодействия их друг с другом.

Возьмём какое-нибудь твёрдое при обычной температуре тело. Оно имеет определённые объём и форму. Молекулы его только колеблются, не покидая при этом предназначенных им мест. Колебания молекул так малы по своей величине, что не вызывают сколь-либо заметных изменений в размерах и форме всего тела. Если мы начнём нагревать его, то вначале из миллионов молекул, составляющих тело, только немногие приобретут такую скорость, что силы сцепления их не удержат, и они покинут своё место. Постепенно, с нагреванием, количество таких молекул возрастёт. При некоторой температуре порядок, характеризующий расположение молекул в твёрдом теле, будет существенно нарушен. Тело при этом потеряет свою форму и потечёт. Это явление мы называем плавлением.

Если отдельные молекулы жидкости в результате столкновений приобретут значительные скорости, то силы сцепления не смогут уже удерживать их. Когда эти быстрые молекулы окажутся в верхних слоях жидкости, они могут оторваться от поверхности и уйти в граничащий с жидкостью воздух или другой газ. Это — испарение жидкости.

Чем ниже температура жидкости, тем меньше в ней молекул с повышенной скоростью и, следовательно, тем медленнее происходит испарение. При нагревании жидкости средняя скорость движения молекул возрастает, число быстрых молекул увеличивается и большее число их покидает поверхность жидкости. Жидкость испаряется быстрее.

Выйдя из жидкости, молекулы так далеко расходятся друг от друга, что силы молекулярного взаимодействия между ними становятся ничтожно малыми. Это означает, что жидкость превратилась в пар или газ.

Всякий газ можно охлаждением превратить сначала в жидкость, а затем в твёрдое тело. И обратно, любое твёрдое тело можно расплавить, а полученную жидкость, нагревая, довести до кипения и превратить в пар. При превращении жидкости в твёрдое тело следует иметь в виду, что с понижением температуры жидкость как бы "густеет" или, как говорят, становится более вязкой. С возрастанием вязкости перемещения молекул внутри жидкости затрудняются — молекулам труднее занять правильные положения и образовать кристалл.

В некоторых случаях возрастание вязкости может привести к тому, что тело сделается твёрдым без правильного расположения частиц. Именно таким образом образуются аморфные твёрдые тела, о существовании которых мы уже говорили. Поэтому можно считать аморфные тела скорее чрезвычайно вязкими жидкостями, потерявшими способность течь, нежели истинными твёрдыми телами.

Переход при нагревании твёрдого тела в жидкость и жидкости в газ — самое обычное явление. Но ошибочно думать, что нельзя получить газ прямо из твёрдого тела, минуя жидкость. Всем известны белые кристаллы нафталина, которыми обычно пересыпают шерстяные вещи для предохранения от моли. Нафталин имеет очень резкий запах. Почему? Отдельные молекулы нафталина вырываются с поверхности кристаллов и разносятся по воздуху, образуя, так сказать, "нафталинный газ". Значит, и твёрдые тела тоже могут испаряться. В последнее время для сохранения скоропортящихся продуктов часто применяется в качестве охлаждающего вещества твёрдая углекислота. Это — белая масса, напоминающая снежные комья. Температура твёрдой углекислоты около 78 градусов холода. Отнимая тепло от предметов, которые требуется охладить, она сама нагревается и сразу превращается в бесцветный газ, не образуя ни одной капли жидкости. Поэтому твёрдую углекислоту называют "сухим льдом".

Итак, одно и то же тело, в зависимости от обстоятельств, может быть твёрдым, жидким или газообразным. Каким именно является тело, зависит от того, как движутся и как взаимодействуют его молекулы.

Если каждой молекуле предоставлено много места и силы сцепления малы, то молекулы движутся, почти не оказывая друг на друга никакого действия. Отталкиваясь друг от друга, они стремятся разлететься во все стороны. В этом случае мы имеем дело с газом.

Уменьшая объём, занимаемый газом, можно настолько увеличить силы сцепления, что молекулы уже не смогут после ударов разлетаться свободно в разные стороны. Они будут двигаться, оставаясь поблизости друг от друга. Газ превратится в жидкость.

При понижении температуры жидкости скорость движения молекул уменьшается. Уменьшаются и расстояния между молекулами. Возросшие силы сцепления приведут к тому, что при некоторой температуре молекулы вообще перестанут кочевать с места на место, а будут лишь колебаться. Действующие между молекулами силы заставят их расположиться в виде правильных фигур. Жидкость превратится в твёрдое тело, в кристалл.

Все эти изменения, как мы теперь знаем, связаны с изменением в движении мельчайших частиц вещества — молекул.

Так современная наука выполняет завет Ломоносова — объяснять свойства тел и изменение их свойствами частиц, из которых они построены.

Заключение

Мы рассказали о немногих из тех интересных явлений, которые связаны с движением молекул. Мы показали, что современная наука подтвердила замечательные мысли М. В. Ломоносова.

Теперь читателю должно быть ясно, как, учитывая движение молекул, из которых состоят все тела, можно объяснить их свойства, понять, что такое теплота, найти законы, которым подчиняются превращения вещества, и т. д.

Эти знания необходимы человеку в его практической деятельности. Без них нельзя строить совершенные двигатели, мощные самолёты, дёшево получать важные для промышленности продукты. Эти знания нам важны и по другой причине. Они говорят нам о том, что мир материален, что движением молекул мы можем объяснить явления, протекающие в окружающей нас природе, без помощи каких бы то ни было божественных сил.

Наука не стоит на месте. С каждым годом она раскрывает всё новые и новые тайны природы. Сегодня мы превосходим то, что ещё вчера считали пределом наших знаний. Не надо, однако, думать, что развитие науки представляет собой ничем не осложнённое, постепенное приближение человека к истинному пониманию природы.

Наука развивается в непрерывной борьбе старого, отжившего с новым, передовым.

Широкие возможности для развития науки открыла в нашей стране Великая Октябрьская революция.

Учёные Советской страны настойчивой работой вырывают у природы её секреты. Не дожидаясь милостей от природы, они заставляют её служить человеку.

И мысли "простых людей" всего мира направлены к Советскому Союзу, хранителю лучших сокровищ человечества.

Цена 65 к.

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО ТЕХНИКО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ БИБЛИОТЕКА

Вып. 1. Проф. Р. В. КУНИЦКИЙ. Было ли начало мира.

Вып. 2. Проф. М. Ф. СУББОТИН. Происхождение и возраст Земли.

Вып. 3. Проф. К. Л. БАЕВ. Земля и планеты.

Вып. 4. Проф. К. Ф. ОГОРОДНИКОВ. На чём Земля держится.

Вып. 5. Проф. А. А. МИХАЙЛОВ. Солнечные и лунные затмения.

Вып. 6. Акад. В. А. ОБРУЧЕВ. Происхождение гор и материков.

Вып. 7. Проф. В. И. ГРОМОВ. Из прошлого Земли.

Вып. 8. Е. П. ЗАВАРИЦКАЯ. Вулканы.

Вып. 9. Проф. Г. П. ГОРШКОВ. Землетрясения.

Вып. 10. Проф. В. Г. БОГОРОВ. Подводный мир.

Вып. 11. Б. Н. СУСЛОВ. Между пылинками и молекулами.

Вып. 12. А. С. ДАНЦИГЕР. Электрическая лампочка.

Вып. 13. Проф. В. Г. БОГОРОВ. Моря и океаны.

Вып. 14. А. С. ФЁДОРОВ. Огненный воздух.

Вып. 15. Б. Н. СУСЛОВ. Звук и слух.

Вып. 16. Ф. Л. ВЕЙТКОВ. Электричество в нашей жизни.

Вып. 17. А. Л.КОЛЕСНИКОВ. Из чего состоит Вселенная.

Вып. 18. А. П. КРЮЧКОВ. Искусственный каучук.

Вып. 19. Проф. А. И. КИТАЙГОРОДСКИЙ. Кристаллы.

Вып. 20. Проф. Б. Б. КУДРЯВЦЕВ. Движение молекул.

Content

Кудрявцев Борис Борисович Движение молекул

Введение

1. М. В. Ломоносов

2. Вечное движение

3. Со скоростью пули

4. Что такое теплота

5. На пути к порядку

6. В мире порядка

7. Молекулярная артиллерия

8. Жидкие газы

9. Три состояния вещества

Заключение