Какую жидкость невозможно набрать в ёмкость и почему?
Представьте себе приятный солнечный день. Только-только наступило утро и вы с бутылкой для воды идёте на родник, купаясь в росе и радуясь прекрасному преломлению световых лучей в каплях. На роднике вы видите струйку чистейшей воды.
Вы размещаете бутылку таким образом, чтобы она могла наполняться водой и тут обнаруживаете, что вода не набирается, а вся вытекает через стенки насквозь! Ещё страшнее, что та вода, которая всё-таки осталась внутри, сама пытается выползать обратно, как живое существо.
Это больше похоже на сон с привкусом фильма Нечто. Но нет, это не кошмар. Просто вы пытаетесь набрать в бутылку сверхтекучий гелий, а для него не существует стенок. Как это работает с точки зрения физики и почему для некоторых жидкостей не существует стенок?
Примерно так, только в любой ёмкости
Вязкость жидкости
Жидкость — это одно из агрегатных состояний вещества, где частицы не имеют строго упорядочивания, но зато они сохраняют связь друг с другом. При этом сохраняется и объем, но формы нет. В виду того, что частицы связаны друг с другом в той или иной степени, у жидкости есть такое свойство, которое называется вязкостью. Представьте себе неокуб, который имеет не особенно сильное притяжение между звеньями, но позволяет шарикам всё-таки оставаться рядом друг с другом.
В агрегатном состоянии «жидкость» частицы мешают друг другу перемещаться и формируют вязкость и внутреннее трение
Попробуйте перемешать ложкой сгущенку и простую воду. Сгущенка более вязкая, поэтому она перемешивается с большим трудом. Это означает, что молекулярные связи в её структуре достаточно сильны, чтобы сопротивляться перемешиванию и перемещению слоёв внутри системы. Связи стараются «не отпустить одну частицу от другой». Ещё и сами частицы «трутся» друг о друга, формируя внутреннее трение. Это и есть базовая логика понятия «вязкость».
Что способствует проникновению жидкости в поры
Теперь вернемся к нашему примеру с бутылкой в самом начале.
Вспомните решето. Если попытаться набрать воду в решето, то она закономерно из него вытечет. Виноваты большие отверстия в сетке. Если же набрать воду в пластмассовый таз, то она останется в этом тазу. В чём разница?
Полезно рассмотреть этот процесс на молекулярном уровне и всё станет очевидно. Если посмотреть структуру пластика под микроскопом, то во многих случаях можно увидеть микро- поры. При этом жидкость, которую мы набрали в таз из такого материала, физически не сможет «пролезть» через микро-поры, наблюдаемые в пластике.
Невидимые поры материала
Молекула жидкости больше самой поры. Со стороны и на макроуровне мы видим это как герметичную емкость. Это примерно как просеивать через сито манку, а потом насыпать туда горох. Горох не пролезет через сито, хотя манка проходила. Тут горох — эквивалент крупных частиц жидкости в пластиковой ёмкости с порами, которые меньше частиц. Но это только верхушка айсберга. Ведь размер частицы в примере со сверхтекучим гелием не меняется и размер агрегатов тоже.
Что же, теперь возьмем решето, через которое легко прошла вода и заполним его сгущенкой. Те частички, которые и могли бы провалиться в большие отверстие, привязаны к окружающим. Эта масса с трудом протекает через сетку. Примерно как мастику переливать из банки в банку.
Очевидно, что чем выше вязкость, тем сложнее протащить жидкость через сито и наоборот. Внутренние связи будут мешать такой процедуре. Следовательно — даже если частичка жидкости может пролезть через пору, то ей это не позволит сделать существующее окружение.
Сверхтекучесть и сверхтекучий гелий
Мы обсуждали всё это не зря. Ключевое понятие — вязкость. Подставьте себе, что возможно существование жидкости вовсе без вязкости!
Её поведение будет характеризоваться термином сверхтекучесть. Такая жидкость может появиться в лабораторных условиях или при повторении обозначенных физических параметров вне лаборатории, что теоретически может произойти где-то в космосе.
Диаграмма состояния для гелия
Пытливый читатель спросит: Как сверхтекучая жидкость может существовать вообще? Ведь по идее, её существование означает, что все связи между частицами полностью отсутствую. Это будет уже не то агрегатное состояние.
Тут мы сталкиваемся с довольно сложной физической моделью, которая объясняется через квантовые механизмы взаимодействия. Причём, как такового полноценного объяснения процесса до сих пор не существует.
Нам нужно извлечь главное — отсутствие внутреннего трения не означает отсутствие взаимодействия и потерю связей между частицами. Нулевая вязкость не подразумевает, что жидкость обязательно распадётся на атомы. В дело вступят квантовые механизмы обмена и сохранят это вещество жидкостью.
Зато если сверхтекучая жидкость попадёт в обычную герметичную ёмкость, то она пройдёт через стенки насквозь. Примерно также, как и вода проходит через решето.
Секрет в том, что емкость, которую мы видим герметичной, на самом деле таковой не является. Она покрыта микропорами в том или ином количестве. Между частицами, из которых состоят стенки, всегда есть некоторое пустое пространство.
Жидкость с нулевой вязкостью отлично пройдёт через такие поры. Примерно так и ведёт себя сверхтекучий гелий.
Фотография классического эксперимента-демонстрации. Гелий проходит сквозь герметичный стакан!
Возможен и ещё один очень интересный вариант поведения. Если сверхтекучая материя вдруг и не сможет просочиться сквозь поры, то она поползёт по стенке. Для неё нет никакого трения и, поочередно притягиваясь всё к новым и новым точкам на поверхности ёмкости, частицы жидкости будут постепенно ползти по стенке, пока сосуд полностью не освободится.
Вот так жидкость убегает из тигля
Ну и что это за такой волшебный гелий?
Сверхтекучий гелий — это фазовое состояние одного из изотопов гелия, в котором он проявляет свойства жидкости с нулевой вязкостью. Следовательно, он течёт без трения по любой поверхности и протекает через любые поры и несплошности в поверхности. Фокус в том, что это вещество как раз-таки не разваливается на частицы при нулевой вязкости.
Ну и наверное закономерный вопрос: А только ли гелий может проявлять подобные свойства? Долгое время, ученые считали, что да. Но относительно недавно выяснилось, что и многие другие элементы при определенных условиях демонстрируют свойства сверхтекучести.
Напоследок по традиции приглашаю вас подписаться на Telegram-канал моего проекта, где вас ждёт ещё больше интересного по теме физики, материаловедения и осознания устройства материи.
