Читать книгу "Покоренная плазма - Борис Васильевич Фомин"

лыжах с крутой горы, носятся многие миллиарды миллиардов молекул воды. Молекулы эти по устройству нехитры: в каждой из них объединились в одну семью два атома водорода и один атом кислорода.

Благодаря солнечному теплу вода даже зимой испаряется, превращаясь в молекулы-одиночки, в газ.

Влажный и теплый воздух поднимается от земли вверх, при своем движении он расширяется и теряет тепло. На высоте пять — семь километров молекулы воды, бывшие ранее одиночками, вновь соединяются в большие группы, снова образуют мельчайшие капельки воды. Если вверху очень холодно, то вместо капелек могут возникнуть крохотные кристаллики льда.

Вы не задумывались над тем, из чего состоят причудливые нагромождения облаков? Из таких вот мельчайших капелек воды или кристалликов льда.

Но вот в воздухе повеяло холодом. Капельки воды замерзают и начинают быстро расти. К ним примыкают другие, еще не замерзшие капельки воды, довольно быстро превращая еле видимый кристаллик в снежинку причудливой формы.

Миллиарды соединившихся воедино молекул образовали мельчайшую капельку воды, миллионы таких капелек создали снежинку, которая упала ко мне на стол и растаяла. Через несколько минут на столе не останется и следа от этой капли. Молекулы воды начнут новое путешествие по кругу.

Я сознательно рассказал так подробно о снежинках. Их рождение, жизнь и гибель тесно связаны с превращениями вещества, в данном случае воды, с переходом ее из одного состояния в другое.

Кристаллы, из которых построена снежинка, — это твердое состояние воды, капелька на моем столе — жидкое ее состояние, и, наконец, в третьем, газообразном состоянии, вода оказалась после того, как капелька испарилась, исчезла со стола.

Не все вещества так легко переходят из одного состояния в другое.

Возьмем, например, азот — газ, который составляет четыре пятых воздуха. Как его ни замораживай, он ни за что не хочет сжижаться. И лишь при температуре двести десять градусов ниже нуля он становится жидкостью. Такого холода не бывает даже и в Антарктиде. Но ученые научились добывать «искусственный» холод и с его помощью заставлять азот превращаться в жидкость.

И вот в дьюарах — специальных сосудах с двойными стенками — жидкий азот путешествует с завода, где его получили, к различным потребителям. Нужен он и в лабораториях, где занимаются изучением плазмы. Например, для вымораживания паров ртути из разрядных трубок, куда эти пары попадают при работе ртутных насосов.

Твердые тела тоже неохотно расстаются со своим состоянием. Если кусок олова превращается в жидкость при температуре 232 градуса выше нуля, то медь начинает плавиться только при 1073 градусах.

Люди давно научились превращать вещества из одного состояния в другое. Научились и умело этим пользуются. Вспомните, как оловом паяют различные детали. Зачистят место стыка, покроют расплавленным металлом, и тот, затвердев, прочно соединяет детали.

Каждому из нас приходилось видеть, как продавщицы мороженого достают из бело-голубых ящиков любимое лакомство, завернутое в бумагу. Несмотря на жару, мороженое не собирается «раскисать», переходить из твердого состояния в жидкое. Почему? Загляните в ящик, и вы увидите куски дымящегося сухого льда, которым переложены пачки мороженого. Это углекислота — бесцветный газ, который при «морозе» 78,9 градуса превращается в лед. Испаряясь, он забирает от мороженого тепло, не дает его температуре повыситься.

Это пример того, как твердое вещество может превращаться в газ, минуя жидкое состояние.

Физика объясняет

Что же изменяется при переходе веществ из одного состояния в другое? Состав вещества? Нет. Он остается прежним. Молекулы льда, пара и обыкновенной воды одинаковы. Газообразная двуокись углерода и сухой лед имеют одинаковый химический состав. В чем же дело?

Ответ на этот вопрос можно найти, если разгадать, как молекулы вещества взаимодействуют друг с другом.

Вот перед нами книга, стакан, ножницы — целый набор твердых предметов. Почему молекулы, из которых они состоят, не рассеиваются в воздухе, а сами предметы не рассыпаются, как домики, сделанные детьми из песка? Задумывались ли вы над этим вопросом? А вот и ответ на него, который дает физика: молекулы твердых тел прочно «держатся» друг за друга, между ними существуют так называемые силы сцепления, зависящие от строения и свойств атомов. И хотя для ученых в этом вопросе остается еще мною невыясненного, бесспорно одно: силы сцепления есть, причем у твердых тел они велики, и именно им обязаны твердые тела своей прочностью, способностью сохранять форму.

У большинства твердых тел молекулы располагаются в определенном порядке. Этот порядок назван кристаллической решеткой вещества. Но это не значит, что молекулы и атомы, из которых построено твердое тело, неподвижны. Нет, они все время колеблются, только размах этих колебаний невелик.

В жидкостях — воде, спирте, бензине, растительном масле — «дисциплины» меньше. В них молекулы тоже довольно крепко «держатся» друг за друга, но ведут себя иначе: если в твердом теле их можно сравнить со стройными шеренгами спортсменов на параде, то в жидкости они похожи на неорганизованную толпу. Здесь они беспрестанно движутся, снуют туда-сюда, хотя каждая из них, находясь в непосредственной близости от соседних двух-трех молекул, постоянно испытывает их притяжение. Стоит открыть кран, и жидкость потечет из сосуда: силы притяжения между молекулами не смогут преодолеть сил тяжести.

Близость молекул друг к другу в твердых телах и жидкостях облегчает переход электронов от одного атома к другому, соседнему. Если это происходит легко, то тело ведет себя как проводник тока, и наоборот, если электроны с трудом отрываются от атомов, то тело является изолятором.

Среди твердых и жидких тел, которые, как мы выяснили, имеют «тесное» расположение молекул, много металлов, являющихся хорошими проводниками электричества. В металлах много свободных электронов, которые с приложением сил электрического поля начинают двигаться «гурьбой», образуют ток.

У жидкости и твердых тел есть один общий признак: если их сжимать или нагревать, плотность их меняется мало. Почему? Все потому, что молекулы у этих тел расположены сравнительно близко друг от друга и силы, которые держат их вместе, достаточно велики, поэтому изменить расстояние между молекулами намного не удается. Нагревая твердое тело, можно заставить молекулы совершать большие колебания и даже превратить это тело в жидкость, но объем при этом все равно изменится мало.

Совсем другое дело — газы. Если откачать из стеклянного баллона 99,99 процента всего газа, то оставшиеся молекулы равномерно распределятся в предоставленном объеме. Плотность газа может уменьшаться неограниченно. Проверить это может каждый. Откройте флакон одеколона или духов и отойдите в противоположный угол комнаты. Вскоре вы почувствуете запах духов: испарившись, они заполнили всю комнату. Но в то же время трудно будет заметить, что уровень