Лев Ландау - Физика для всех. Молекулы
Опыт показывает, что таким образом ведут себя все вещества. Все, кроме одного-единственного: таким "уродом" является гелий.
Некоторые сведения о гелии мы уже сообщили читателю. Гелий является рекордсменом по значению своей критической температуры. Ни одно вещество не имеет критической температуры более низкой, чем 4,3 К. Однако сам по себе этот рекорд не означает чего-либо удивительного. Поразительно другое: охлаждая гелий ниже критической температуры, добравшись практически до абсолютного нуля, мы не получим твердого гелия. Гелий остается жидким и при абсолютном нуле.
Поведение гелия совершенно не объяснимо с точки зрения изложенных нами законов движения и является одним из признаков ограниченной годности таких законов природы, которые казались универсальными.
Если тело жидкое, то его атомы находятся в движении. Но ведь, охладив тело до абсолютного нуля, мы отняли у него всю энергию движения. Приходится признать, что у гелия имеется такая энергия движения, которая не может быть отнята. Это заключение несовместимо с механикой, которой мы занимались до сих пор. Согласно этой изученной нами механике, движение тела всегда можно затормозить до полной остановки, отняв у него всю кинетическую энергию; так же точно можно прекратить движение молекул, отобрав у них энергию при столкновении со стенками охлаждаемого сосуда. Для гелия такая механика явно не подходит.
"Странное" поведение гелия является указанием на факт огромной важности. Мы впервые встретились с невозможностью применения в мире атомов основных законов механики, установленных непосредственным изучением движения видимых тел,- законов, казавшихся незыблемым фундаментом физики.
Тот факт, что при абсолютном нуле гелий "отказывается" кристаллизоваться, никаким способом нельзя примирить с механикой, которую мы изучали до сих пор. Противоречие, с которым мы встретились впервые,- неподчинение мира атомов законам механики - лишь первое звено в цепи еще более острых и резких противоречий в физике.
Эти противоречия приводят к необходимости пересмотра основ механики атомного мира. Пересмотр этот очень глубок и приводит к изменению всего нашего понимания природы.
Необходимость коренного пересмотра механики атомного мира не означает, что надо поставить крест на изученных нами законах механики. Было бы несправедливо заставлять читателя изучать ненужные вещи. Старая механика полностью справедлива в мире больших тел. Уже и этого достаточно для того, чтобы относиться к соответствующим главам физики с полным уважением. Однако важно и то, что ряд законов "старой" механики переходит в "новую" механику. Сюда относится, в частности, закон сохранения энергии.
Наличие "неотнимаемой" при абсолютном нуле энергии не является особым свойством гелия. Оказывается; "нулевая" энергия имеется у всех веществ.
Только у гелия этой энергии оказывается достаточно для того, чтобы помешать атомам образовать правильную кристаллическую решетку.
Не надо думать, что гелий не может находиться в кристаллическом состоянии. Для кристаллизации гелия надо лишь повысить давление примерно до 25 атм. Охлаждение, проводимое при более высоком давлении, приведет к образованию твердого кристаллического гелия с совершенно обычными свойствами. Гелий образует кубическую гранецентрированную решетку.
На рис. 4.14 показана диаграмма состояния гелия. Она резко отличается от диаграмм всех остальных веществ отсутствием тройной точки. Кривые плавления и кипения не пересекаются.
Рис. 4.14
И еще одна особенность имеется у этой уникальной диаграммы состояния: существуют две разные гелиевые жидкости В чем их различие - вы узнаете чуть позже.
Растворы
Что такое раствор
Если посолить бульон и размешать ложкой, то не останется и следов соли. Не следует думать, что крупинок соли просто не видно невооруженным глазом. Кристаллики соли никаким способом не удастся обнаружить по той причине, что они растворились. Если подбавить в бульон перца, то раствора не получится. Можно перемешивать бульон хоть сутками - крошечные черные крупинки не исчезнут.
Но что значит - "вещество растворилось"? Ведь атомы или молекулы, из которого оно построено, не могут пропасть бесследно? Конечно, нет, они и не пропадают. При растворении исчезает лишь крупинка вещества, кристаллик, скопление молекул одного сорта. Растворение состоит в таком перемешивании частиц смеси, при котором молекулы одного вещества распределяются между молекулами другого. Раствор -- это смесь молекул или атомов разных веществ.
Раствор может содержать различные количества растворенного вещества. Состав раствора характеризуется его концентрацией, например, отношением числа граммов растворенного вещества к числу литров раствора.
По мере добавления растворяемого вещества концентрация раствора растет, но не беспредельно. Рано или поздно раствор становится насыщенным и перестает "принимать в себя" растворяемое вещество. Концентрация насыщенного раствора, т. е. "предельная" концентрация раствора, называется растворимостью.
Удивительно много сахара можно растворить в горячей воде. При температуре 80°С полный стакан воды примет без остатка 720 г сахара. Этот насыщенный раствор будет густым и вязким, повара называют его сахарным сиропом. Мы привели для сахара цифру для граненого стакана, емкость которого 0,2 л. Значит, концентрация сахара в воде при 80°С равняется 3600 г/л (читается: "грамм на литр").
Растворимость некоторых веществ сильно зависит от температуры. При комнатной температуре (20°С) растворимость сахара в воде падает до 2000 г/л. Напротив, растворимость соли совершенно незначительно меняется с изменением температуры.
Сахар и соль хорошо растворяются в воде. А вот нафталин в воде практически нерастворим. Различные вещества в различных растворителях растворяются совершенно различно. Повторим еще раз, что в очень многих случаях растворами пользуются для выращивания монокристаллов. Если подвесить в насыщенный раствор маленький кристаллик растворенного вещества, то по мере испарения растворителя растворенное вещество будет высаживаться на поверхности этого кристаллика. При этом молекулы будут соблюдать строгий порядок, и в результате маленький кристаллик превратится в большой, оставаясь монокристаллом.
Растворы жидкостей и газов
Можно ли растворить жидкость в жидкости? Разумеется, можно. Например, водка - это раствор спирта в воде (или, если угодно, воды в спирте,- смотря чего больше). Водка - настоящий раствор, молекулы воды и спирта полностью перемешаны в ней.
Однако не всегда при смешении двух жидкостей получится такой результат.
Попробуйте подлить к воде керосин. Никаким перемешиванием не удастся получить однородный раствор, это так же безнадежно, как растворять перец в супе. Как только перемешивание прекращается, жидкости располагаются слоями: более тяжелая вода - внизу, более легкий керосин - наверху. Керосин с водой и спирт с водой - системы, противоположные по свойствам растворимости.
Однако имеются и промежуточные случаи. Если смешать эфир с водой, то мы отчетливо увидим в сосуде два слоя. На первый взгляд может показаться, что сверху эфир, а внизу вода. На самом же деле и нижний и верхний слои являются растворами: внизу - вода, в которой растворилась часть эфира (концентрация 25 г эфира на литр воды), а наверху - эфир, в котором имеется заметное количество воды (60 г/л).
Теперь поинтересуемся растворами газов. Ясно, что все газы растворяются друг в друге в неограниченных количествах. Два газа всегда перемешиваются так, что молекулы одного проникают между молекулами другого. Ведь молекулы газов мало взаимодействуют друг с другом, и каждый газ ведет себя в присутствии другого газа, в некотором смысле не обращая "внимания" на своего сожителя.
Газы могут растворяться и в жидкостях. Однако уже не в любых количествах, а в ограниченных, не отличаясь в этом отношении от твердых веществ. При этом разные газы растворяются по-разному, и различия эти могут быть очень большими. В воде можно растворить огромные количества аммиака (на полстакана холодной воды - около 100 г), большие количества сероводорода и углекислоты. В незначительном количестве растворимы в воде кислород и азот (0,07 и 0,03 г на литр холодной воды). Таким образом, в литре холодной воды находится всего лишь около сотой грамма воздуха. Однако и это маленькое количество играет большую роль в жизни на Земле - ведь растворенным в воде кислородом воздуха дышат рыбы.
Чем больше давление газа, тем больше его растворится в жидкости. Если количество растворенного газа не очень велико, то между ним и давлением газа над поверхностью жидкости имеется прямая пропорциональность.
Кто не получал удовольствия от холодной газированной воды, так хорошо утоляющей жажду! Получение газированной воды возможно благодаря зависимости количества растворенного газа от давления. Углекислый газ загоняют в воду под давлением (из баллонов, которые имеются у каждого киоска, где продают газированную воду). Когда воду наливают в стакан, давление падает до атмосферного и вода выделяет "лишний" газ в виде пузырьков.
