Александр Китайгородский - Физика для всех. Движение. Теплота

• Название: Физика для всех. Движение. Теплота
• Автор: Александр Китайгородский
• Издательство: Наука
• Жанр: Физика
• Год: 1974

Авторы этой книги – лауреат Ленинской и Нобелевской премий академик Л.Д. Ландау и профессор А.И. Китайгородский – в доступной форме излагают начала общего курса физики.

Примечательно, что вопросы атомного строения вещества, теория лунных приливов, теория ударных волн, теория жидкого гелия и другие подобные вопросы изложены вместе с классическими разделами механики и теплоты. Подобная тесная связь актуальных проблем физики с ее классическими понятиями, их взаимная обусловленность и неизбежные противоречия, выводящие за рамки классических понятий, – все это составляет сущность современного подхода к изучению физики.

Новое, свежее изложение делает книгу полезной для самого широкого круга читателей.

---

По мере добавления растворяемого вещества концентрация раствора растет, но не беспредельно. Рано или поздно раствор становится насыщенным и перестает «принимать в себя» растворяемое вещество. Концентрация насыщенного раствора, т.е. «предельная» концентрация раствора, называется растворимостью.

Удивительно много сахара можно растворить в горячей воде. При температуре 80 °C полный стакан воды примет без остатка 720 г сахара. Этот насыщенный раствор будет густым и вязким, повара называют его сахарным сиропом. Мы привели для сахара цифру для граненого стакана, емкость которого 0,2 л. Значит, концентрация сахара в воде при 80 °C равняется 3600 г/л (читается: «грамм на литр»).

Растворимость некоторых веществ сильно зависит от температуры. При комнатной температуре (20 °C) растворимость сахара в воде падает до 2000 г/л. Напротив, растворимость соли совершенно незначительно меняется с изменением температуры.

Сахар и соль хорошо растворяются в воде. А вот нафталин в воде практически нерастворим. Различные вещества в различных растворителях растворяются совершенно различно.

Растворами пользуются для выращивания монокристаллов. Если подвесить в насыщенный раствор маленький кристаллик растворенного вещества, то по мере испарения растворителя растворенное вещество будет высаживаться на поверхности этого кристаллика. При этом молекулы будут соблюдать строгий порядок и в результате маленький кристаллик превратится в большой, оставаясь монокристаллом.

Растворы жидкостей и газов

Можно ли растворить жидкость в жидкости? Разумеется, можно. Например, водка – это раствор спирта в воде (или, если угодно, воды в спирте, – смотря чего больше). Водка – настоящий раствор, молекулы воды и спирта полностью перемешаны в ней.

Однако не всегда при смешении двух жидкостей получится такой результат.

Попробуйте подлить к воде керосина. Никаким перемешиванием не удастся получить однородный раствор, это так же безнадежно, как растворять перец в супе. Как только перемешивание прекращается, жидкости располагаются слоями: более тяжелая вода – внизу, более легкий керосин – наверху. Керосин с водой и спирт с водой – системы, противоположные по свойствам растворимости.

Однако имеются и промежуточные случаи. Если смешать эфир с водой, то мы отчетливо увидим в сосуде два слоя. На первый взгляд может показаться, что сверху эфир, а внизу вода. На самом же деле и нижний и верхний слой являются растворами: внизу – вода, в которой растворилась часть эфира (концентрация 25 г эфира на литр воды), а наверху – эфир, в котором имеется заметное количество воды (60 г/л).

Теперь поинтересуемся растворами газов. Ясно, что все газы растворяются друг в друге в неограниченных количествах. Два газа всегда перемешиваются так, что молекулы одного проникают между молекулами другого. Ведь молекулы газов мало взаимодействуют друг с другом, и каждый газ ведет себя в присутствии другого газа, в некотором смысле не обращая «внимания» на своего сожителя.

Газы могут растворяться и в жидкостях. Однако уже не в любых количествах, а в ограниченных, не отличаясь в этом отношении от твердых веществ. При этом разные газы растворяются по-разному, и различия эти могут быть очень большими. В воде можно растворить огромные количества аммиака (на полстакана холодной воды – около 100 г), большие количества сероводорода и углекислоты. В незначительном количестве растворим в воде кислород и азот (0,07 и 0,03 г на литр холодной воды). Таким образом, в литре холодной воды находится всего лишь около сотой грамма воздуха. Однако и это маленькое количество играет большую роль в жизни на Земле – ведь растворенным в воде кислородом воздуха дышат рыбы.

Чем больше давление газа, тем больше его растворится в жидкости. Если количество растворенного газа не очень велико, то между ним и давлением газа над поверхностью жидкости имеется прямая пропорциональность.

Кто не получал удовольствия от холодной газированной воды, так хорошо утоляющей жажду! Получение газированной воды возможно благодаря зависимости количества растворенного газа от давления. Углекислый газ загоняют в воду под давлением (из баллонов, которые имеются у каждого киоска, где продают газированную воду). Когда воду наливают в стакан, давление падает до атмосферного и вода выделяет «лишний» газ в виде пузырьков.

Учитывая подобные эффекты, водолазов нельзя быстро поднимать из воды на поверхность. Под большим давлением на глубине в крови водолаза растворяется дополнительное количество воздуха. При подъеме давление падает, воздух начинает выделяться в виде пузырьков и может закупорить кровеносные сосуды.

Твердые растворы

В жизни слово «раствор» применяют к жидкостям. Однако существуют и твердые смеси, атомы или молекулы которых однородно перемешаны. Но как получить твердые растворы? При помощи пестика и ступки их не получишь. Поэтому смешивающиеся вещества надо сначала сделать жидкими, то есть расплавить, потом смешать жидкости и дать смеси затвердеть. Можно поступить и иначе – растворить два вещества, которые мы хотим смешать, в какой-либо жидкости, а затем уже выпарить растворитель. Такими способами могут получиться твердые растворы. Могут получиться, но обычно не получаются. Твердые растворы – это редкость. Если в соленую воду бросить кусок сахара, он превосходно растворится. Выпарим воду; на дне чашки обнаружатся мельчайшие кристаллики соли и сахара. Соль с сахаром не дают твердых растворов.

Можно расплавить в одном тигле кадмий с висмутом. После охлаждения мы увидим в микроскоп смесь кристалликов кадмия и висмута. Висмут и кадмий тоже не образуют твердых растворов.

Необходимым, хотя и не достаточным, условием возникновения твердых растворов является близость молекул или атомов смешивающихся веществ по форме и размерам. В этом случае при замерзании смеси образуется один сорт кристалликов. Узлы решетки каждого кристалла обычно беспорядочно заселены атомами (молекулами) разных сортов.

Сплавы металлов, имеющие большое техническое значение, зачастую представляют собой твердые растворы. Растворением небольшого количества примеси можно резко изменить свойства металла. Яркой иллюстрацией этого является получение одного из наиболее распространенных в технике материалов – стали, представляющей собой твердый раствор малых количеств углерода – порядка 0,5 весового процента (один атом углерода на 40 атомов железа) – в железе, причем атомы углерода беспорядочно внедрены между атомами железа.

В железе растворяется лишь небольшое число атомов углерода. Однако некоторые твердые растворы образуются при смешении веществ в любых пропорциях. Примером может служить сплав золото – медь. Кристаллы золота и меди имеют решетку одинакового типа – кубическую гранецентрированную. Такую же решетку имеет сплав меди с золотом. Представление о структуре сплава со все увеличивающейся долей меди мы получим, если будем мысленно удалять из решетки атомы золота и заменять их атомами меди. При этом замена происходит беспорядочно, атомы меди распределяются в общем как попало по узлам решетки. Сплавы меди с золотом можно назвать растворами замещения, а сталь является раствором иного типа – раствором внедрения.

В подавляющем же большинстве случаев твердых растворов не возникает, и, как говорилось выше, после застывания мы можем увидеть в микроскоп, что вещество состоит из смеси мелких кристалликов обоих веществ.

Как замерзают растворы

Если охладить раствор какой-либо соли в воде, то обнаружится, что температура замерзания понизилась. Нуль градусов пройден, а затвердевание не происходит. Только при температуре на несколько градусов ниже нуля в жидкости появятся кристаллики. Это кристаллики чистого льда, в твердом льде соль не растворяется.

Температура замерзания зависит от концентрации раствора. Увеличивая концентрацию раствора, мы будем уменьшать температуру кристаллизации. Самую низкую температуру замерзания имеет насыщенный раствор. Понижение температуры замерзания раствора совсем не малое: так, насыщенный раствор поваренной соли в воде замерзнет при −21 °C. При помощи других солей можно добиться еще большего понижения температуры; хлористый кальций, например, позволяет довести температуру затвердевания раствора до −55 °C.

Рассмотрим теперь, как идет процесс замерзания. После того как из раствора выпадут первые кристаллики льда, крепость раствора увеличится. Теперь относительное число чужих молекул возрастет, помехи процессу кристаллизации воды также увеличатся, и температура замерзания упадет. Если не понижать температуру далее, то кристаллизация остановится. При дальнейшем понижении температуры кристаллики воды (растворителя) продолжают выделяться. Наконец, раствор становится насыщенным. Дальнейшее обогащение раствора растворенным веществом становится невозможным, и раствор застывает сразу, причем если рассмотреть в микроскоп замерзшую смесь, то можно увидеть, что она состоит из кристалликов льда и кристалликов соли.