Яков Гегузин - Капля
В описанном опыте, вопреки известной пословице, нам удалось убить двух зайцев: определить, во-первых, температуру плавления и, во-вторых, величину поверхностного натяжения расплавленного вещества. Дело в том, что верхняя пластинка, раздавливая своей тяжестью каплю, превращала ее в лепешку определенной толщины. Сколько раз ни повторялся бы опыт по расплавлению одной и той же крупинки, образовывавшаяся жидкая капля весом пластинки расплющивалась до одной и той же толщины к . Эту величину можно было уменьшить, увеличивая вес верхней пластинки. Легко понять, что дальнейшему
расплющиванию препятствуют силы поверхностного натяжения, приложенные к той части поверхности расплющенной капли, которая граничит с воздухом. В наших опытах вещество капли практически не смачивало кварц (именно поэтому опыты и ставились с кварцевыми пластинками) и, следовательно, можно считать, что радиус закругления свободной поверхности r= h/2
Величина поверхностного натяжения α может быть определена из условия равенства давления, которое оказывает пластинка на жидкую каплю (Рп), и лапласовского давления (Рл), которое обусловлено искривленностью ее свободной поверхности. Если вес пластинки давит на каплю с силой F, а площадь ее контакта с расплющенной каплей πR2, то Рп = F/πR2. Величина Рл = α/r = 2α/h Приравнивая Рп к Рл, находим формулу, с помощью которой можно определить величину поверхностного натяжения вещества:
α = F.h/2πR2
Величины h и R можно измерить с большой точностью, а силу легко определить, зная вес верхней пластинки.
Способ решения стоящей перед нами задачи, который подсказала возникшая вдруг аналогия, конечно же, был не единственно возможным. Видимо, можно было придумать и иные приемы, но нас привлекла в нем неожиданность аналогии и возможность опровергнуть пословицу о двух зайцах.
ПЕРВАЯ КАПЛЯ ТАЛОЙ ВОДЫ
Что там творится в мире заоконном?
Зима в исходе, видно по всему.
Давайте вместе слушать, как со звоном
Летит сосулька из зимы в весну.
Александр Межиров
Капля, осушенная иглой
Расскажу об одном очень простом опыте, который когда- то в нашей лаборатории был поставлен и заснят на кинопленку. «Героем» фильма, естественно, была капля.
Начну с предыстории, с «общих соображений». Во многих учебниках физики утверждается, что жидкость смачивает твердое тело того же вещества: жидкая медь — твердую медь, вода — лед. Это означает, что если бы, например, на поверхности твердой меди поместить каплю жидкой меди, она должна была бы растечься по ней тонким слоем. Утверждается, что это веществу «выгодно», поскольку при этом его поверхностная энергия уменьшается, т. е. что поверхностная энергия твердой меди на границе с парами меди больше, чем сумма энергий на границе твердая медь — жидкая медь и жидкая медь — пары меди. Разумеется, медь — это лишь пример. Имеется в виду, что утверждение справедливо применительно ко многим веществам.
Если авторы учебников физики не заблуждаются, то смачивание твердого тела жидким должно проявлять себя во многих явлениях. Ведь это означает выгодность наличия жидкой пленки на поверхности твердого тела. Чуть курьезно об этом можно сказать так: твердым телам выгодно быть мокрыми. Но окружающие нас твердые предметы сухи, если, разумеется, мы их специально не смочим. Впрочем, и смочить их не просто, так как смачивать надо жидкостью того же вещества, что и твердое тело, а такая жидкая пленка на твердом теле быстро кристаллизуется и, присоединившись к нему, становится твердой.
Впрочем, быть может, авторы учебников не заблуждаются и существуют условия, при которых потребность твердых тел быть мокрыми удовлетворяется. Ведь жидкая пленка на твердой поверхности — это как бы палка о двух концах. С одной стороны, пленка выгодна, так как с ее присутствием связано уменьшение поверхностной энергии,— об этом уже говорилось. С другой стороны, пленка невыгодна — с ней связана избыточная «объемная» энергия: если пленка закристаллизуется, выделится энергия, и тем большая, чем дальше отстоит температура, при которой находится твердое тело, от температуры его плавления. Если дело обстоит так, то, быть может, авторы учебников все же правы и их правота не противоречит нашему жизненному опыту, протестующему против того, что якобы все твердые тела должны быть мокрыми. Быть может, твердые тела станут мокрыми, когда их температура непосредственно приблизится к температуре плавления, когда проигрыш «объемной» энергии будет меньшим, чем выигрыш «поверхностной». Ведь процессы, которые в природе происходят самопроизвольно, всегда движимы стремлением к уменьшению энергии. Скажем так: камень сам в гору не покатится, а вот с горы — при первой возможности.
В первые послевоенные годы в одном из томов «Докладов АН СССР» было опубликовано описание интересного опыта, который поставили В. И. Данилов и Д. С. Каменецкая. Опыт заключался в следующем. Маленький шарик металлического натрия, состоящий из нескольких кристалликов, медленно нагревался в ультратермостате, где температура поддерживалась и регулировалась с большой точностью, кажется, не меньшей пяти тысячных градуса. Границы между отдельными зернами на поверхности шарика очерчивались канавками. Они образовывали узор, подобный тому, который образуют швы на покрышке футбольного мяча. Канавки на шарике сохранялись при всех температурах, однако, когда до температуры плавления оставалось менее одной сотой градуса, они исчезли и вся поверхность шарика, ранее бывшая матовой, как бы покрывалась глазурью. Когда шарик натрия немного охлаждался, канавки снова появлялись, а затем повторным нагревом можно было заставить их исчезнуть, а поверхность покрыться глазурью. Это наблюдение очень .естественно объясняется «общими соображениями»: жидкость смачивает собственное твердое тело, и поэтому вблизи температуры плавления твердое тело должно покрыться жидкой пленкой — это она сглаживает канавки и придает поверхности блеск глазури.
Авторы опыта с шариком натрия изучали не причины и закономерности появления и исчезновения канавок на его поверхности. Это наблюдение — побочный результат опыта, и поэтому они специально не стремились убедиться в том, что вблизи температуры плавления натрий запотевает, покрывается тонким жидким слоем.
Опыт, о котором рассказано, очень красив, но его результат лишь косвенно свидетельствует о правильности утверждения, что жидкость смачивает твердое тело того же вещества. Если жидкая пленка появляется — канавки должны исчезнуть, но не исключено, что они исчезают по каким-либо иным причинам, а причин может быть множество.
Здесь можно оставить предысторию и «общие соображения» и перейти к опыту, о котором говорилось в начале очерка. Мы пытались придумать прямой опыт, результат которого, не допуская кривотолков, убедил бы нас в том, что твердое тело с готовностью покроется жидкостью того же вещества, если такая возможность будет ему предоставлена. Вспомнили о ментоле — веществе, расплав которого очень легко переохлаждается. Кристаллики ментола плавятся при 35° С, но и при комнатной температуре ментол может оставаться жидким.
Опыт заключался в следующем. На стеклянной пластинке поместили маленький кристалл ментола, подогрели его, расплавили, и он превратился в жидкую каплю. Ментоловая капля немного растеклась по стеклу и приняла форму плоской лепешки. Затем взяли ментоловую иголочку — продолговатый кристаллик ментола, сечение которого было много меньше площади капли,— и опустили ее в ментоловую переохлажденную жидкую каплю.
