Движение молекул - [11]

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".