Яков Гегузин - Капля
Чтобы проследить за тем, как образуется осадок в форме колец, процесс высыхания капель был заснят кинокамерой. Съемка производилась так. На предметном столике микроскопа — стеклышко, на нем — капля раствора сульфита, под ним — осветитель и слабый нагреватель, чтобы, подогрев стекло, можно было ускорить высыхание капли. На тубусе микроскопа — кинокамера, затвор которой автоматически щелкал каждые 30 сек. Съемку вели от момента, когда капля помещена на стекло, до ее полного высыхания.
Последовательность кадров фильма о высыхании капли раствора сульфита
Посмотрев ленту, можно убедиться в том, что капля высыхает скачкообразно. На неподвижных фотографиях эти скачки не видны, а на экране они видны великолепно. Вдоль периметра капли выпадают кристаллики осадка, и некоторое время диаметр капли остается неизменным. В какой-то момент он уменьшается, а затем стабилизируется, и вдоль периметра снова начинают выпадать кристаллики растворенной соли, образуя очередное кольцо в осадке.
Почему капля раствора высыхает так необычно? Казалось, терять бы ей постепенно влагу и также постепенно уменьшать свой объем. Быть может, так и происходит?
Объем уменьшается постепенно, монотонно, а скачкообразно, периодически изменяется форма капли?
Далее — рассказ об истинной причине скачкообразного перемещения периметра высыхающей капли. С каплей происходит следующее. Вода со всей ее поверхности испаряется равномерно. Легко понять, что по мере испарения влаги концентрация растворенной соли будет возрастать и раньше всего кристаллики начнут выпадать там, где избыточная концентрация соли будет наибольшей. Это будет в самой тонкой части капли, т. е. вдоль ее периметра. Именно вдоль периметра кристаллики и выпадут. Жидкость капли, смачивая выпадающие кристаллики, как бы приклеивается к ним. Поэтому капля, теряя жидкость, должна менять свою форму, становиться более плоской — ведь ее объем уменьшается, а периметр остается неизменным.
В начале процесса высыхания форма капли, лежащей на стекле, была равновесной. Это означает, что из всех возможных форм осуществилась та, при которой энергия поверхности, граничащей с воздухом и стеклом, — наименьшая при данном объеме капли. Но вот обстоятельства вынуждают испаряющуюся каплю изменять свою наиболее выгодную форму—и ее поверхностная энергия возрастает. Лук, стянутый тетивой, напрягается, если тетиву натягивать, придавать ей форму, против которой и тетива и лук «возражают». Нечто подобное происходит и с поверхностью высыхающей капли. Чем больше испаряется влаги, тем больше искажается форма капли, и на каком-то этапе капля оторвется от кристалликов на периметре и примет равновесную форму. А затем — все сначала: новые кристаллики вдоль периметра, изменение формы капли, отрыв капли от кристалликов и так далее, пока капля не испарится, оставив после себя пятно, состоящее из концентрических колец кристалликов соли. Именно такие пятна и остаются на столе в фотокомнате.
Невысыхающие капли
Правильнее было бы так: сохнущие, но не высыхающие капли. Никогда не высыхающие! С ними мы столкнулись случайно, изучая закономерности образования концентрических колец при высыхании капель раствора сульфита, и при этом, естественно, заинтересовались, как изменяется рисунок пятна с изменением концентрации раствора. На стекле помещались капли раствора сульфита в воде различных концентраций, стекло подогревалось, капли высыхали, и на их месте оставались пятна. В этих опытах обнаружилось много любопытных закономерностей, о некоторых из них рассказано в предыдущем очерке о неаккуратном фотографе. Одно из любопытных наблюдений, сделанных в этих опытах, заключалось в том, что некоторые капли не образовывали пятен, а просто оставались на стекле. Вначале их размер немного уменьшался, а затем они оставались неизменными. Стеклышко, на котором они находились, подогревали, а капли продолжали оставаться неизменными. Это происходило с каплями растворов сульфита в воде, в которых сульфита было много — более 10%. Оказалось, что неиспаряющиеся капли вовсе не обычные жидкие капли — они покрыты панцирем из кристаллического сульфита. Под панцирем есть жидкость, но испаряться она не может — мешает панцирь.
Убедиться в том, что под панцирем жидкость, легко. На многих каплях панцирь тонкий и прозрачный, и если немного потрясти стеклышко с каплей, можно увидеть, как под панцирем колышется вода. А можно панцирь проколоть иголкой или раздавить его, и из-под панциря вытечет жидкость.
Естествен вопрос: как и почему высыхающая капля раствора покрывается панцирем? Происходит следующее. Испарение воды с поверхности капли приводит к тому, что в приповерхностном слое повышается концентрация растворенного вещества. Вначале кристаллики из пересыщенного раствора выпадут в самом тонком участке капли — вдоль ее периметра. Далее. Если бы избыточное вещество из приповерхностного слоя уходило в объем капли и неравномерность в распределении этого вещества сглаживалась, все могло бы происходить, например, так, как это описано в очерке о пятнах на столе в фотокомнате: капля исчезла бы, оставив после себя на стекле пятно, состоящее из совокупности колец. А вот когда концентрация растворенного вещества велика и испарение происходит быстро, избыточное вещество из приповерхностного слоя присоединяется к тем кристалликам, которые образовались вдоль периметра капли. Это приводит к росту кристаллов в область, где растворенное вещество в избытке, т. е. в приповерхностный слой, и на капле появляется кристаллический панцирь. В этом случае вещество, растворенное в капле, не остается в форме осадка на стекле, а образует своеобразный осадок — панцирь на поверхности капли.
Капля или, точнее, жидкость под панцирем может от панциря избавиться. Если температура окружающего пространства повысится, панцирь растворится в жидкости под ним и образуется свободная капля раствора. В ней, однако, концентрация соли будет больше, чем в исходной капле; ведь перед образованием панциря часть жидкости испарилась. При этой более высокой температуре все может повториться сначала: жидкость будет испаряться, и на капле образуется панцирь. На этот раз он должен быть потолще, а жидкости под ним меньше, чем в капле под панцирем до поднятия температуры. А быть может, и вообще жидкости не будет, если она успеет испариться до образования панциря. В этом случае, разумеется, панцирь — уже не панцирь, а просто осадок на стекле. Замена панциря осадком при какой-то температуре обязательно произойдет, и если наша цель — получить каплю с панцирем, надо высушивать ее при температуре более низкой, чем та, при которой на месте капли остается просто пятно.
А если каплю, покрытую панцирем, охлаждать, будет происходить иное: растворенное вещество из жидкости, оставшейся под панцирем, будет осаждаться на панцире. Панцирь утолстится, и жидкость под ним будет всегда. Можно добиться, чтобы под слоем кристаллического покрытия осталась чистейшая дистиллированная вода. Капля чистой воды, защищенная от высыхания!
С каплей, покрытой панцирем, никакие загадки не связаны — все ясно, объяснимо, предсказуемо. И все же, когда встречаешься с каплей, которая, как бы защищая себя от исчезновения, покрывается панцирем, невольно задумываешься над тем, как много неожиданных следствий могут обусловить абсолютно ясные причины.
ДОЖДЬ НАД РЕКОЙ
Не прячьтесь от дождя! Вам что, рубашка
Дороже, что ли, свежести земной?
В рубашке вас схоронят. Належитесь,
А вот такого яркого сверканья
Прохладных струй, что льются с неба,
Прозрачных струй, в себе дробящих солнце,
И пыль с травы смывающих,
И листья
Полощущих направо и налево,
Их вам увидеть будет не дано.
Владимир Солоухин
Капля-шарик и капля-парашют
Судьбы дождевых капель, летящих с неба на землю, настолько сложны и превратны, что рассказу о них можно было посвятить целую книгу. Иная капля, зародившись где-то в облаках и падая в теплых сухих слоях воздуха, может испариться, исчезнуть, не достигнув земли. Иная по дороге столкнется с подобной себе и, обретя в содружестве силу и массу, преодолеет все трудности пути, прольется дождем на землю. Иная капля, приспосабливаясь к противотоку воздуха, изменит свою форму. Еще многое другое, о чем в кратком очерке не расскажешь, может произойти с дождевой каплей на ее пути к земле.
