Чому вода тече?

Справді, чому? Та тому, звичайно, що вона рідина. А чому рідина? Ну, це вже все одно, що питати, чому тверде тіло – тверде і газ – газоподібний. Але, виявляється, не зовсім все одно. Бо в поясненні твердості твердого і газоподібності газу вчені фізики прийшли до цілком визначених і загальних висновків, а що стосується рідин, то…

Як в автобусі

Як давно відомо, в кристалічному твердому тілі молекули і іони шикуються в ряди, дотримуючись строгого порядку. Він один і той же на всій глибині тіла, і в науці його прийнято зображати у вигляді просторової решітки з матеріальними частками в переплетеннях – вузлах. Це так званий дальній порядок. Варто його змінити, і речовина змінить властивість: стане м’якше або твердіше, втратить форму, стиснеться, розшириться.

Решітка пов’язує рух найдрібніших частинок тіла. Вони ніби з’єднані між собою пружинками, які дозволяють частинкам лише тремтіти, коливатися по відношенню одна до одної.

Зовсім інакше поводяться молекули газу. Вони, немов порошинки в сонячному промінні, в’ються незалежно одна від одної. Здається, ніяким законам не підпорядкований цей безладний рух. Але як він не хаотичний, вчені змогли підрахувати середню швидкість найдрібніших частинок в газах. Першим навчився це робити англійський фізик Д. К. Максвелл. Він міркував приблизно так.

На вулиці міста можна зустріти і дуже високих людей і зовсім маленьких. Але і тих і інших порівняно небагато. В основному всі жителі будь-якої місцевості приблизно одного зросту.

Так і рух молекул газу. Деякі розвивають величезну швидкість, частина молекул рухається повільно. Однак у переважної більшості швидкість приблизно однакова. Її можна прийняти за середню.

У молекул водню при звичайній температурі вона становить два кілометри в секунду – більше 7000 кілометрів на годину. У молекули кисню всього 1800 кілометрів на годину. З рідиною ж поки справа йде інакше. Згода між вченими далеко не досягнута. Здається, просто: стиснутий або сильно охолоджений газ стає рідиною, як і сильно нагріте тверде тіло. Рідина – середній стан. Але в чому її внутрішня природа, як поводяться в ній молекули?

Прийшли до висновку, що частки рідини, на відміну від газових, пов’язані одна з одною. Але єдиного, спільного для всього тіла порядку вони не утворюють, а відчувають вплив тільки своїх найближчих сусідок і впливають тільки на них. Тут вже не далекий порядок зв’язку, як в твердих кристалічних тілах, а так званий ближній. У переповненому автобусі не можна зрушити з місця, не потривоживши найближчих сусідів. Прямуючи до виходу, мимоволі «міняєш групи» оточуючих людей. Приблизно так само кожна окрема молекула рідини рухається серед сусідок.

Коли сусіди весь час одні й ті ж, вчені говорять про коливання молекули близько тимчасового положення рівноваги. Чому «тимчасового»? Тому, що частки не залишаються постійно в однаковому ж оточенні, вони перестрибують з однієї групи сусідів в іншу – здійснюють, як кажуть вчені, активовані скачки. Кожна молекула води при кімнатній температурі робить за секунду приблизно 600 мільйонів активованих стрибків!

У спокійній рідині вони відбуваються однаково у всіх напрямках. То група частинок і кожна з них окремо перемістилася в одну сторону, то в іншу. У загальній масі напрямок стрибків взаємно врівноважується. Проте варто прикласти до рідини яку-небудь силу (надлишок тиску, силу тяжіння, різницю потенціалів), і рівномірність стрибків порушується, частинки спрямовуються в одну сторону. Спрямовуються групами і поодинці. Це і є плинність. Від цього тече і вода.

Для того щоб частки рідини могли здійснювати активізовані скачки, в ній повинні бути порожнечі. Чи існують вони насправді? Адже якщо їх немає, то наведене вище пояснення плинності помилкове. Що говорить про це досвід? Пошуки таких порожнеч були розпочаті дуже давно.

У срібній кулі

Флоренція. Старовинні палаци примружилися від яскравого сонця різьбленими очницями вікон. А всередині палацових покоїв ось вже кілька годин неквапливо розмовляють флорентійські академіки. Один з них каже:

– Чи можна пояснити плинність рідини тим, що в ній є невидимі пори? Чи правда, що прагнучи заповнити їх, рідина і розпливається? Це твердження, на наш погляд, помилково. Докази? Ось вони. Перед вами срібна куля. Вона наповнена водою. Їй нікуди витекти, так як куля закупорена герметично. Спробуємо вдарити по кулі важким молотком. Якби у воді були пори, вона б від удару стиснулася, а на кулі утворилися б вм’ятини.

Молоток з силою опустився на срібну поверхню. Раз, другий, третій… На кулі з’явилися світлі цятки. Академік переможно доторкнувся до одної з них. Це були крихітні водяні крапельки.

Дослід повторили. І знову після ударів на поверхні кулі виступали сльози. Срібло пропускало воду! Але як? Адже воно не губка і не пориста пемза. Напрошувався єдиний висновок: в металі є дрібні порожнечі.

А в рідині? Раз воді було легше пробити метал, ніж стиснутися, значить в ній не знайшлося жодних пустот? Виходить так? І довгий час фізики вважали воду нестисненою, позбавленою яких би то не було внутрішніх пір. Лише в середині вісімнадцятого століття французький фізик Контон довів, що і вода стискається, хоча зовсім незначно.

Треба докласти тиск в 1000 атмосфер, щоб зменшити обсяг води всього на одну двадцять п’яту. Значить, «пори» в рідині все-таки існують, молекули в ній «упаковані» не найбільш щільним з усіх можливих способів!

Але які це порожнечі? Як розташовані молекули в групах «ближнього порядку»? І навіть (але про це – трохи далі) саме чи порожнечі грають роль причини плинності? У пошуках відповіді на ці питання були розроблені складні теорії, висунуті десятки гіпотез. Тут і «теорія дірок» (як її називають на науковому просторіччі), і «теорія осередків», і кінетично-мультіплетно-контактна теорія і багато інших. Незалежно від простоти або складності назви всі вони досить складні по суті. Багато хто з них припускають, що протягом дуже коротких відрізків часу і в невеликих обсягах молекулярна структура рідини являє собою подобу кристалічної решітки твердого тіла. Ці побудови з молекул раз у раз руйнуються, молекули збираються в нові правильні групи, і рідина тече.

Один з прихильників таких поглядів, вчений Г. В. Стюарт порівнює рідину зі стадом свиней. Тварини то й діло збираються в постійно мінливі групи. Групи всередині стада то зростають, то зменшуються. Відстані між ними, то скорочуються, то збільшуються. І все-таки це порядок, що має певну побудову. Частина фізиків вважає, що впорядкованість в рідині, певною мірою, подібна порядку у відповідному їй твердому тілі. Так, розташування найдрібніших частинок розчину кухонної солі схоже з будовою кристалів хлористого натрію. Молекули води утворюють фігури, схожі на кристали льоду.

Таємничі багатограники

Але чи справді рідини настільки близькі до твердих тіл? Проти цього рішуче заперечує відомий англійський вчений Дж. Д. Бернал, який взагалі заперечує всі так звані кристалічні теорії рідин. Він переконаний, що рідина – це однорідна (на відміну від гіпотези Стюарта) і пов’язана силами зчеплення побудова молекул. Ніяких кристалічних ділянок або «дірок» досить великих, щоб у них могли б поміститися будь-які молекули, в ній немає. Всупереч тому, що рідина стискається!

Не створюють молекули рідини і яких-небудь однакових фігур. Але як же тоді рідина тече? Бернал міркує таким чином. У кожної молекули рідини є 8-12 сусідів, що безпосередньо стикаються з нею. Значить, разом вони повинні скласти фігури з такою ж кількістю граней. Але які? Адже існують 46 багатогранників, у яких число граней доходить до 12. І є сотні півтори різних багатогранників з 14 гранями. Та й кожна грань не схожа на свою сусідку. Мало того, що це можуть бути і трикутники, і квадрати, і інші багатокутники. Справа ще в тому, що вони можуть мати різні боки. Тоді всі ці багатокутники навіть при однаковій кількості кутів будуть відрізнятися один від одного. Вирахувати точно, в які багатогранники, з якими гранями, під якими кутами складуться молекули у краплі рідини дуже важко. І тому Бернал пішов іншим шляхом – вирішив відтворити у грубій формі молекулярну модель рідини.

Ви можете, при бажанні, повторити його дослід. Зробіть з пластиліну десятка два-три маленьких грудочок, обваляйте їх в крейді і стисніть в один ком. Тепер давайте подивимося, в які фігурки перетворилися грудочки при щільній їх упаковці.

Мабуть у вас, як і у Бернала, вийде щось схоже з неправильними многогранниками. Причому грані в одній фігурі будуть разюче відрізнятися одна від одної. Такого не може бути в кристалі. У цьому, за Берналем, і полягає головна відмінність структури рідини від структури твердого тіла.

Тепер згадайте, що рідина знаходиться в постійному русі. Значить, і багатогранники і окремі грані весь час змінюються. Трикутники перетворюються на паралелепіпеди, п’ятикутники набувають ще один кут. В інших випадках, навпаки, кутів стає менше, грані здвоюються, зтроюються. Цією невпинною зміною об’ємних форм всередині рідини і пояснює Бернал її безперервний перебіг.

Отже, новий геометричний підхід приніс нову цікаву гіпотезу, що воскресила в якійсь мірі старі ідеї флорентійських мудреців. Однак суперечка далеко не завершена. Загальноприйнятої теорії рідини, згідної відповіді на питання «чому вода тече?» у науці ще немає. І добути її далеко не просто.

До речі, ось що цікаво: більшість теоретиків схильна наближати рідину швидше до твердого тіла, ніж до газу. А в практиці інженери і вчені-експериментатори застосовують до рідин формули, що характеризують важкі гази. Дивне протиріччя! Його теж повинно вирішити майбутнє. І результати цієї суперечки матимуть не лише чисто науковий, пізнавальний інтерес. У ній кровно зацікавлені і фізико-хіміки, і геологи, і металурги. Уточнення молекулярно-кінетичної моделі рідини може принести користь в сталеплавлені, гідромеханіці, пошуку рідкоземельних елементів, видобутку нафти і в багатьох інших областях науки і техніки.

Автор: Г. Вершубський.