Марк Медовник - Жидкости [оптимизированы иллюстрации]

Копия древней масляной лампы, использовавшейся во времена ар-Рази

Тем временем масляные лампы развивались. Конструкция IX в. кажется простой, но на самом деле она замечательно хитроумна. Представьте себе чашу с оливковым маслом. Если вы просто попытаетесь поджечь его, то обнаружите, что это сложно. Оливковое масло имеет очень высокую точку возгорания – температуру, при которой оно начинает спонтанно реагировать с кислородом воздуха и вспыхивает. Для оливкового масла она составляет 315 °C. Вот почему готовить на нем так безопасно. Если случайно разлить его на кухне, оно не загорится. Кроме того, чтобы зажарить большинство продуктов, достаточно довести их до температуры около 200 °C, что всё еще на сто градусов ниже точки возгорания оливкового масла. Поэтому, когда на нем готовишь, масло практически не горит.

Но при температуре 315 °C ваш горшок с оливковым маслом ярко вспыхнет, испустив много-много света. Мало того что это невероятно опасно, так и пламя быстро потухнет; оно очень скоро поглотит всё топливо. Возможно, вы подумали: наверняка есть лучший способ жечь оливковое масло для освещения. Вы правы. Если взять кусок веревки и погрузить его в масло, оставив кончик торчать над поверхностью, а затем поджечь, на конце веревки возникнет яркий огонек, а весь горшок нагревать не придется. Горит при этом не веревка, а масло, выступающее на ней. Это весьма изобретательно, но дальше еще лучше. Если оставить веревку гореть, то окажется, что пламя не спускается по ней в масло – наоборот, масло взбирается по ней и вспыхивает только после того, как доберется до самого верха. Такая система способна поддерживать горение часами – ровно до тех пор, пока в чаше есть масло. Всё дело в процессе, который называется капиллярным поднятием и кажется чудесным: масло, оказывается, способно преодолевать тяготение и двигаться независимо. Но на самом деле это базовое свойство жидкостей, возможное потому, что они обладают так называемым поверхностным натяжением.

Способность течь придает жидкостям их структура: это промежуточное состояние между хаосом газов и молекулярной решеткой твердых тел. В газах молекулы обладают достаточной тепловой энергией, чтобы отрываться друг от друга и двигаться независимо. Это придает им динамичность – они расширяются, пока не займут весь свободный объем, – но в них нет почти никакой структуры. В твердых телах сила притяжения между атомами и молекулами намного превышает их тепловую энергию, заставляя их держаться вместе. Поэтому у твердых тел жесткая структура, но малая автономность молекул: когда вы берете со стола чашу, все ее атомы движутся вместе, как единый объект. Жидкости – промежуточное состояние между тем и другим. У атомов в них достаточно тепловой энергии, чтобы разорвать некоторые связи с соседями, но недостаточно, чтобы разорвать их все и стать газом. Они заперты в жидкости, но способны свободно двигаться в ее пределах. Это форма материи, в которой молекулы свободно плавают, образуя и разрывая связи друг с другом.

Среда, в которой существуют молекулы на поверхности жидкости, отличается от той, в которой существуют молекулы внутри ее. Молекулы на поверхности не окружены со всех сторон другими молекулами той же жидкости и поэтому образуют в среднем меньше связей, чем те, что находятся в толще жидкости. Неуравновешенность сил между поверхностью жидкости и ее толщей порождает напряжение – силу поверхностного натяжения. Она очень невелика, но достаточна, чтобы противодействовать силе тяготения для небольших объектов. Вот почему некоторые насекомые способны гулять по поверхности водоемов.

Водомерка на поверхности воды. © Alice Rosen

Посмотрите внимательно, как водомерка «ходит» по воде, и вы заметите, что та отталкивает ножки насекомого. Причина в том, что поверхностное натяжение между водой и ножками насекомого порождает силу отталкивания, которая противодействует тяготению. Некоторые виды взаимодействия жидкости и твердого тела имеют противоположный результат: они порождают силу молекулярного притяжения. Это относится, в частности, к воде и стеклу. Если взять в руку стакан с водой, можно увидеть, что ее край у границы со стеклом слегка приподнимается. Он называется мениском, и это тоже результат действия силы поверхностного натяжения.

Растения освоили этот фокус. Они втягивают воду наверх вопреки силе тяготения, из земли в свои тела, при помощи системы крохотных трубочек, которые проходят сквозь их корни, стебли и листья. Когда они становятся микроскопическими, отношение площади внутренней поверхности к объему жидкости увеличивается и описанный эффект усиливается. Потому-то производители продают тряпки для мытья окон из «микрофибры», в которой есть микроканалы, аналогичные микроканалам растений. Они всасывают воду, позволяя тряпке очищать стекло эффективнее. Мы можем вытирать пролитую жидкость с помощью кухонных салфеток благодаря тому же механизму. Всё это примеры капиллярного всасывания (капиллярного поднятия), того самого, что возникает под действием силы поверхностного натяжения и позволяет маслу взбираться вверх по веревке – точнее, по фитилю.