Объяснение некоторых явлений в очень тонких капиллярах

1

Объяснение некоторых явлений

вочень тонких капиллярах.

Ввосьмидесятые годы двадцатого века были получены значительно более тонкие капилляры, чем могли быть произведены до этого времени.

При исследовании прохождения воды через такие капилляры были получены необычные результаты. Плотность воды увеличивалась. Иногда на целых 20 процентов. Температура кипения такой воды иногда доходила до 800 градусов Цельсия, а иногда до 400 градусов. Иногда температура кипения воды прошедшей через капилляр не изменялась

исоставляла обычные 100 градусов.

Вразных лабораториях при исследованиях всегда получались разные результаты. В одной и той же лаборатории разные капиллярные трубки давали разные результаты. Даже одна и та же капиллярная трубка в разное время давала не одинаковые результаты.

Все это привело к тому, что описанные явления не получили должного объяснения теми, кто открыл и исследовал их. К сожалению, я запамятовал имена и фамилии первооткрывателей. Так, что приходится быть не вежливым по отношению к ним.

Вашему вниманию предлагается теоретическое объяснение и самих этих явлений, и их непостоянства.

Для простоты понимания рассмотрим процессы, происходящие в большом стеклянном сосуде с водой у его стенок на расстоянии от стенки порядка нескольких диаметров молекулы.

Из-за электролитической диссоциации вода представляет собой не совокупность нейтральных молекул, а совокупность поляризованных молекул, двигающихся с различными скоростями и сталкивающимися самым произвольным образом. На рисунке 1 молекулы воды

изображены в виде овальных поляризованных диполей.

Стекло является достаточно сложным сплавом алюмосиликатов. В основной массе окиси кремния, которую в первом приближении и только в целом можно считать электрически нейтральной, разбросаны в разных сочетаниях ионы металлов: алюминия, магния, железа и других. Относительно фона, создаваемого окисью кремния эти ионы имеют приличный положительный заряд. Попадаются так же примеси не металлов. Эти примеси имеют отрицательный заряд.

Рис.1 Примеси в разных сочетаниях расположены по всему объему стекла.

В том числе и непосредственно у краев стенок сосуда, где они создают постоянно существующее электрическое поле. Это поле имеет наибольшую напряженность непосредственно у стенки сосуда, а на расстоянии нескольких диаметров молекулы оно практически исчезает, складываясь с электростатическими полями всех остальных

атомов стекла. В результате непосредственно у стенок сосуда всегда существует слабое электростатическое поле определенного «узора», как показано на рисунке 1. Электростатический «узор» каждого сосуда строго индивидуален и неповторим из-за присущего только данному сосуду распределения ионов металлов и примесей.

1

2

Так как молекулы воды в сосуде двигаются с самыми разными скоростями, то очень часто у самой стенки сосуда оказываются настолько медленные молекулы, что силы электрического поля оказывается достаточно, чтобы молекула воды почти остановилась и, сориентировавшись в поле, заняла постоянное положение, почти притянувшись к стенке сосуда.

Притянутая молекула несколько искажает имеющееся поле и как бы немного продвигает его чуть подальше от стенки так как источником поля становится и сама поляризованная молекула. В результате, уже к этой молекуле притягивается еще одна молекула, а затем еще несколько. Так продолжается до тех пор пока суммарное поле стенки

ицепочки, слипшихся под действием электрических сил, молекул не ослабнет настолько, что новые молекулы уже не смогут прилипнуть к цепочке молекул.

Внижней части рисунка, где электрическое поле имеет иной «узор», показано образование пакета из молекул, которые выстраиваются не цепочкой, а параллельно друг другу. В таком пакете молекулы значительно прочнее связаны электрическими силами друг с другом, чем в цепочке.

Электрическое поле у стенки сосуда не является параллельным и равномерным. Поэтому получившиеся цепочки и пакеты молекул, которые в дальнейшем будем называть агрегатами молекул или просто агрегатами, и которые создают собственное электрическое поле, колеблются и раскачиваются в поле стенки. К этим колебаниям добавляются удары свободно двигающихся молекул воды, в результате чего агрегат отрывается от стенки сосуда и уходит внутрь большого объема воды.

Агрегат лишился упорядочивающего влияния поля стенки. Силы сцепления молекул в агрегате не очень велики. Поэтому агрегаты довольно легко раскалываются на отдельные молекулы при столкновениями со свободно двигающимися отдельными молекулами. Агрегаты типа цепочки распадаются быстрее, чем агрегаты типа пакета.

Таким образом, обычная вода всегда является смесью большого количества отдельных поляризованных молекул и малого количества агрегатов разных сортов.

Вреальных условиях электрическое поле у стенки сосуда имеет значительно более сложные формы, чем мы рассматриваем. Поэтому образуются агрегаты не только простейших типов - цепочки и пакета, а и разных иных форм.

Причем форма агрегата зависит еще и от того, в каком месте к стенке прилипнет первая молекула. Ничтожного смещения достаточно, чтобы к первой молекуле следующая прилепилась уже по иному и получился агрегат другой формы со своими механическими свойствами и, соответственно, время потребное на его разрушение в толще воды было уже совсем другим. Вообще, все получающиеся агрегаты разные и по форме и по количеству молекул в агрегате. Кроме того, реальная форма молекулы воды более похожа на пирамиду со скругленными углами, а не на овал. И распределение электрических зарядов в молекуле более сложное. В результате агрегаты из молекул воды получаются самыми разнообразными и по размерам, и по форме, и по количеству молекул, и по механическим свойствам. Для разбиения каждого агрегата в толще воды на отдельные молекулы требуется разное время, для каждого агрегата сугубо индивидуальное.

Вобычных условиях, когда объем воды достаточно велик, соотношение между агрегатами молекул и одиночными молекулами ничтожно мало. Поэтому агрегаты распадаются весьма быстро. Существует постоянный баланс между агрегатами распадающимися и производимыми у стенок сосуда.

Вобычных капиллярных трубках объем свободных одиночных молекул еще так велик, что, несмотря на малые размеры капилляра соотношение между агрегатами молекул

иодиночными молекулами еще так же продолжает быть ничтожно малым, как и в сосудах большего объема. Ничего особенного не происходит.

2

3

Вочень тонких капиллярных трубках расстояние между стенками чрезвычайно мало

иобщий объем воды делается очень малым. Резко меняется соотношение между агрегатами

иодиночными молекулами в пользу агрегатов. Одиночных молекул уже не хватает, чтобы быстро разбить образующиеся агрегаты. Начинается процесс накопления агрегатов. Так как на образование агрегатов расходуются одиночные молекулы, то количество свободных одиночных молекул дополнительно уменьшается. Агрегаты легче образуются и дольше существуют.

При слипании одиночных молекул в агрегаты расстояния между молекулами существенно уменьшается. Поэтому агрегаты имеют гораздо большую плотность, чем обычная вода. В результате и общая плотность получившейся смеси простой воды и агрегатов так же увеличивается. Чем тоньше капилляр, тем меньший объем занимает простая вода и тем большую роль играет вода агрегатированная, увеличивая удельный вес получающейся смеси воды и агрегатов.

При нагревании такой смеси сначала должно произойти разбиение агрегатов и только затем пойдет процесс кипения. Для разбиения агрегатов потребна дополнительная порция энергии по сравнению с обычной водой. Поэтому удельная теплоемкость смеси должна быть выше, чем обычно. Причем удельная теплоемкость каждой полученной порции жидкости будет индивидуальной, так как каждый капилляр производит разное количество агрегатов разного качества. Даже один и тот же капилляр будет производить порции жидкости с разными свойствами так как процесс производства агрегатов зависит и от того места где к стенке прилепится первая молекула, и от того в какой позиции она прилепится.

При росте количества агрегатов в жидкости наступает момент, когда одиночных молекул с большими скоростями начинает не хватать для разбиения агрегатов. В таком случае для разбиения агрегатов требуется увеличить скорость движения имеющихся одиночных молекул, то есть дополнительно повысить температуру жидкости. Так как одиночных молекул мало, а агрегатов много, то одиночные молекулы чаще сталкиваются с агрегатами, чем вылетают из жидкости, образуя пар. Повышение температуры не приводит к кипению сильно агрегатированной жидкости, а расходуется на разбиение агрегатов. Пока не наберется достаточное количество одиночных молекул из разбиваемых агрегатов кипеть просто нечему. Это и является причиной не только увеличения удельной теплоемкости, но

исущественного повышения температуры кипения воды, прошедшей через очень тонкие капилляры. А так как каждый капилляр производит агрегаты по-своему, то и температура кипения каждой полученной порции жидкости будет индивидуальной.

Дополнительным фактором в разбросе параметров полученной жидкости является принципиальная невозможность получения строго одинаковых капилляров. Даже изготовленные на одном и том же оборудовании капилляры в обязательном порядке будут иметь определенный разброс геометрических параметров. Никогда не повторятся капилляры с одинаковым диаметром и, следовательно, с одинаковым объемом жидкости и примерно одинаковым временем разрушения образующихся агрегатов.

Для каждой отдельной порции сырья, идущего на изготовление стекла так же неповторимым является и его химический состав, от которого зависит распределение примесей в стекле, то есть, в конечном итоге, «узор» электрического поля у стенки капилляра.

Кроме того, на самом деле стенки капилляров не прямые. Они обязательно волнистые и с разными микроскопическими шероховатостями, что так же приводит к разным «узорам» электрического поля и разным способностям к образованию агрегатов воды или любой другой жидкости, состоящей из поляризованых молекул.

Даже в том случае, когда капилляр изготовлен из однородного сверхчистого вещества, изгибы и микронеровности стенок капилляра приведут к образованию участков,

3

4

где очень слабые электрические поля молекул стенки будут складываться и взаимно усиливаться так, что силы поля станет достаточно для образования в этом месте агрегатов из поляризованных молекул жидкости. На рисунке 2 показано образование агрегатов на участке с вогнутой стенкой капилляра. Если электрическое поле молекул стенки капилляра более сильное, то образование агрегатов будет идти и на других участках стенки.

Все это приводит к получению жидкостью, прошедшей через очень тонкие капилляры, самых неожиданных свойств.

Рис. 2 Рис. 3 Так как агрегаты представляют собой упорядоченные структуры, то изменяться

могут не только плотность, теплоемкость и температура кипения жидкости, но и ее электрические свойства.

В зависимости от того, какие агрегаты в жидкости преобладают будет меняться сопротивление жидкости. Причем изменение может идти как в сторону увеличения сопротивления, так и в сторону уменьшения, вплоть до появления состояния сверхпроводимости. При наличии внешних электрических полей состояние жидкости может изменяться скачками из-за некоторого переформирования агрегатов. В таком случае ее можно использовать как элемент памяти аналогично обычным триггерам.

Рассматривая очень идеализированный вариант сверх тонкого капилляра можно предположить, что, начав свой рост у одной стороны капилляра, какой-либо агрегат дотянется до противоположной стороны капилляра, как показано на рисунке3. При этом произойдет перекрытие пространства для свободного движения одиночных молекул и мелких агрегатов, а образующийся агрегат приобретет дополнительную прочность. Разделение капилляра на не связанные между собой части резко уменьшит количество одиночных молекул в каждой части капилляра, способных к разрушению агрегатов. Начнется лавинообразный процесс роста агрегатов, сцепления их между собой и с агрегатом, перекрывшим капилляр. Через некоторое время вся жидкость в капилляре превратится в один большой агрегат, то есть станет уже не жидкой, а твердой или почти твердой. Но при этом она не будет льдом, который образуется совсем в других условиях. Было бы очень интересно узнать о свойствах таких отвердевших жидкостей. Похоже, что отвердевшие жидкости могут послужить очень хорошей и дешевой смазкой.

Получение сверхтонких капилляров и их использование для получения отвердевших жидкостей очень трудоемко, а количество получаемой жидкости ничтожно. В тоже время отвердевшие жидкости могут оказаться полезными в технике и в быту. То есть встанет вопрос о массовом производстве таких жидкостей. Этот вопрос, скорее всего, может разрешиться при длительной выдержке жидкостей в сильных постоянных электрических полях, где одиночные молекулы будут вынуждены ориентироваться и сцепляться в агрегаты аналогично тому, как это происходит в тонких капиллярах.

А. В. Пучков

17.01.2002 г.

Старая Русса

4