Тела физические

Все, что признается реально существующим и занимающим часть пространства, носит название физического Т. Всякое физическое Т. образовано из вещества (см. Вещество) и представляет собой, согласно наиболее распространенному учению, совокупность молекул, которые сами по себе являются вполне определенными для каждого Т. группами более мелких подразделений вещества — атомов (см. Атом, Вещество). Каждый атом не есть что-либо абсолютно простое, неделимое. Атом может иметь весьма сложное строение, но он должен быть рассматриваем как индивидуум вещества, т. е. разделение атомов на части должно сопровождаться исчезновением всех тех химических свойств, которые были присущи веществу, составленному из этих атомов. В явлении катодных лучей, в явлении Беккерелевых лучей, а также в особом состоянии газов, которое вызывается прохождением через эти газы катодных, Беккерелевых и Рентгеновых лучей, мы имеем уже подразделения атомов — ионы. При этом одни ионы, т. е. одни части атомов, являются носителями отрицательного электричества, другие ионы, т. е. другие части атомов — носителями положительного электричества. Опыты обнаруживают, что массы электроотрицательных и электроположительных ионов не одинаковы. Масса электроотрицательного иона значительно меньше массы иона электроположительного. Неодинаковы и скорости движения обоего рода ионов. Ионы отрицательные, многими называемые электронами, имеют большую скорость. Атомы в молекулах и молекулы в Т. не находятся в покое. Атомы и молекулы пребывают в постоянном движении. Характер этого движения обусловливается тепловым состоянием T., а также и тем давлением, которому подвергнуто это Т. Согласно атомическому учению, от характера движения молекул зависит физическое состояние Т., т. е. будет ли Т. твердым, жидким или газообразным. В твердом Т., отличающемся вообще сравнительной прочностью формы, движение молекул может быть очень сложное, но, тем не менее, движение большинства молекул должно быть таково, что молекулы, образующие собой некоторую группу, остаются в этой группе и не переходят из нее в другую. В твердом Т. определенная группа молекул представляет собой подобное тому, что являет собой группа небесных Т., составляющих солнечную систему. Различные Т. солнечной системы находятся в очень интенсивном и сложном по форме движении, но, однако, все Т. этой системы образуют весьма прочную группу, которая в целом остается неизменной. Твердые Т. разделяются на кристаллические и аморфные. Кристалл (см. Кристаллы) — это наиболее совершенное твердое Т. Полная определенность формы всякого кристалла заставляет нас признать полное упорядочение движения молекул в таком. От этого упорядоченного по направлению движения молекул, вероятно, и зависит в большинстве кристаллов изменение физических свойств при изменении: направления, в котором исследуются эти свойства. В жидкостях, которые вообще от твердых Т. отличаются изменяемостью формы, т. е. удобоподвижностью своих частиц, а от газообразных Т. — способностью сохранять, по крайней мере видимым образом, в течение некоторого промежутка времени постоянство объема, когда они, т. е. жидкости, находятся в открытом сосуде, движение частиц происходит так, что любая молекула может переходить из одной группы молекул в другую. Движение молекул в жидкости можно сравнить с движением комет, попадающих в нашу солнечную систему, а затем перекочевывающих в другие звездные системы. В Т. газообразных связь между молекулами значительно слабее, чем в жидкостях. В этих телах частицы как бы отталкиваются друг от друга. На самом деле, как это следует из опытов, между частицами газообразных Т. существует притяжение, и если частицы видимым образом стараются удалиться одна от другой, то это является лишь результатом больших скоростей поступательного движения, присущего этим частицам (см. Газы). Газообразные Т. могут быть подразделены на две категории: пары и газы. Вполне основательно называть парами газообразные Т. при температурах, меньших чем критические температуры, соответствующие веществу этих Т. Пары на основании такого определения будут такие газообразные Т., которые без изменения давления, одним только соответственно увеличенным давлением могут быть обращены в жидкое состояние. Газы суть газообразные Т., находящиеся при температурах, больших чем критические температуры, соответствующие этим Т. Отсюда будет следовать, что газы не могут быть одним сжатием, не сопровождающимся охлаждением, обращены в жидкое состояние. Газообразные и жидкие Т. не обнаруживают заметного сопротивления изменению формы своего объема, вследствие чего коэффициент сдвига этих тел принимается равным нулю. Упругие свойства любого из газообразных и жидких Т. характеризуются только одним коэффициентом — коэффициентом объемной упругости или обратной величиной — коэффициентом сжатия. Вследствие отсутствия реакции при изменении формы, т. е. равенства нулю коэффициента сдвига, внутри газообразных и жидких Т. невозможно возникновение поперечных колебаний. Кроме коэффициента сжатия характеристикой механических свойств газообразных и жидких Т. является коэффициент внутреннего трения, а для жидких еще коэффициент поверхностного натяжения α. Этим последним коэффициентом определяются капиллярные явления в жидкостях (см. Волосность). Упругие свойства твердых Т. определяются (см. Упругость) двумя основными коэффициентами: коэффициентом сдвига (п) и коэффициентом объемной упругости (k), Коэффициент сдвига характеризует свойства данного Т. по отношению к изменению формы, не сопровождающемуся изменением объема этого Т. Коэффициент сдвига выражается формулой

n = P/θ

Здесь P обозначает величину силы, отнесенной к единице поверхности грани мысленно выделенного внутри данного Т. кубика и приложенной параллельно этой грани, а θ обозначает тот угол, на который под влиянием этой силы наклоняется к первоначальному положению грань, перпендикулярная направлению силы. Коэффициент объемной упругости характеризует способность Т. изменять свой объем, когда это Т. подвергается равномерно распределенному по его поверхности давлению или растяжению. Коэффициент объемной упругости определяется формулой

k=P/(Δv/v).

Здесь P обозначает величину силы всестороннего сжатия или растяжения, отнесенной к единице поверхности Т., а Δv/v — обозначает изменение единицы объема Т., происходящее от действия этой силы. Все прочие коэффициенты, соответствующие другим деформациям твердого Т., могут быть вычислены, если известны величины n и k. Так, напр., модуль Юнга Е, т. е. отношение между силой Р, производящей растяжение стержня и отнесенною к единице поперечника последнего, и вызываемым этой силой удлинением каждой единицы длины стержня ΔL/L получается из формулы

E = 9nk/(n+3k).

Коэффициент Пуассона σ, т. е. отношение между уменьшением каждой единицы диаметра поперечника стержня при растяжении последнего и увеличением каждой единицы длины стержня при этом, находится по формуле

σ = (3k — 2n)/[2(3k+n)]

В табл. I приведены величины коэффициентов n, k, E для некоторых Т., выраженные в 10⁷ граммов на кв. стм и полученные из опытов при обыкновенной комнатной температуре, а также величины коэффициентов σ.

Таблица I.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

|                              | n                  | k                  | E                 | σ                           |

|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Стекло                   | от 15 до 25  | от 20 до 40   | от 40 до 60  | от 0,210 до 0,255   |

|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Медь                     | 40—50         | 160              | 110—125      | 0,348                     |

|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Железо (кованое)   | 79                | 150              | 180              | 0,243—0,310         |

|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Сталь                    | 85                | 185—200      | 240              | 0,294                     |

|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Каучук                   | —                | —                | —                | 0,5                        |

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

В табл. II приведены коэффициенты сжатия K некоторых жидкостей, соответствующие увеличению давления на одну атмосферу (1,033x10³ грамм на кв. стм), и величины коэффициентов поверхностного натяжения α, выраженные в граммах на сантиметр.

Таблица II.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------

|                               |                   | 10⁶K      | α, грамм/стм                    |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Ртуть                     |                   | 3,74       | 0,4         |                          |

|----------------------------------------------------------------------------------|                          |

|                               | при 0°        | 50,2       | —          |                          |

|                               |--------------------------------------------------|                          |

| Вода                      | при 10,8°    | 48          | 0,075     | при комнатной   |

|                               |--------------------------------------------------| температуре     |

|                               | при 26°       | 45,5       | —          |                          |

|----------------------------------------------------------------------------------|                          |

| Алкоголь                | при 13°       | 90,4       | 0,027     |                          |

|----------------------------------------------------------------------------------|                          |

| Эфир                      | при 14°       | 140        | 0,0197    |                          |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Олово                     |                   | —          | 0,359     | при 240°            |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Свинец                   |                   |              | 0,482     | при 335°            |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Сернистая кислота  |                  | —          | 0,034     | при —25°          |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Хлор                       |                   | —          | 0,035     | при —72°          |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Воздух                   |                   | —          | 0,012     | при —190,3°      |

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Как ни резко, по-видимому, отличаются между собой Т. твердые и жидкие, на самом деле по своим свойствам эти Т. имеют много общего. Не говоря уже про мягкие Т., которые находятся как бы на рубеже между жидкостями и твердыми Т., мы наблюдаем во вполне твердых Т. те же явления, какие особенно характерны для жидкостей. Твердое Т. лед течет, как обыкновенная жидкость. Еще яснее обнаруживается текучесть в другом твердом Т., в так назыв. сапожном варе. Текучесть может быть обнаружена и в металлах и даже в наиболее твердых. Опыты Треска и особенно Спринга показали, что все металлы текут, как жидкость, когда эти металлы подвергнуты большому давлению. Два куска твердого металла, наложенные один на другой и соответственно нагретые, спаиваются в один кусок. Так же точно спаиваются друг с другом и два твердых куска двух различных металлов, спаиваются в том случае, когда оба они имеют температуру значительно меньшую, чем температура плавления этих металлов. Необходимо при этом только выполнение одного условия. Необходимо, чтобы было полное соприкосновение между двумя кусками, т. е. чтобы были хорошо пришлифованы те части поверхностей обоих кусков, которыми они прикасаются друг с другом. Наложенные таким образом два металла один на другой не только спаиваются вместе, но и диффундируют друг в друга. Таким способом получил Спринг сплавы различных металлов без предварительного обращения этих металлов в жидкое состояние. Робертс-Аустен показал существование диффузии золота в свинце при комнатной температуре. В опыте Робертса-Аустена на золотой листок был поставлен свинцовый цилиндрик, и оба эти метала оставались в лаборатории при обыкновенной температуре около 18°. Через четыре года оказалось, что золото проникло в свинец на расстояние 5 мм, т. е. на нижнем конце свинцового цилиндра в слое толщиной в 5 мм было обнаружено присутствие золота. Как некоторые жидкости не смешиваются друг с другом, а потому и не диффундируют одна в другую, так и некоторые металлы, взятые в твердом состоянии, не обладают способностью спаиваться. Спринг не получил прочного спаивания цинка и свинца, цинка и висмута. Кроме металлов, диффундируют и другие твердые Т. Так, напр., углерод диффундирует в железе, хлористое серебро диффундирует в хлористом натрии и т. д. Спринг показал, что твердые Т., подвергнутые давлению со всех сторон, т. е. сжимаемые так, как сжимаются жидкости, обнаруживают полную упругость, совершенно подобно жидкостям. Их объем возвращается к первоначальной величине, как только уничтожается на них давление. Итак, в твердых Т. обнаруживаются свойства, вполне одинаковые со свойствами жидкостей. "Твердые Т. не образуют обособленной группы, они отличаются от жидких только большим внутренним трением". Таково заключение, к которому приходит Спринг. Нужно прибавить еще, что твердые Т. испаряются. Спринг, а затем Робертс-Аустен и Рёссель доказали явление испарения твердых металлов. Хотя и есть много общего в свойствах твердого и жидкого состояний и точно так же есть много общего в свойствах жидкого и газообразного состояний, тем не менее, явный переход из одного состояния в другое совершается при определенной при данных условиях температуре и сопровождается определенным тепловым эффектом. Для всех тел, которые при плавлении увеличиваются в своем объеме, температура плавления повышается вместе с увеличением давления. Она понижается для тех, которые, как лед, сжимаются при обращении в жидкость. Температура кипения повышается с увеличением давления у всех Т. Если мы обозначим через t — температуру перехода данного Т. из одного (первого) состояния в другое (второе), через s₁ — удельный объем Т. в первом состоянии, через s₂ — его удельный объем во втором состоянии, через r — скрытую теплоту перехода, через р — давление, претерпеваемое Т., и через А — величину, обратную величине механического эквивалента тепла, мы имеем:

dt = (A[(273+t)(s₁ — s₂)] /r) (dp).

Не только плавление и кипение тел сопровождается "поглощением" тепла, поглощение тепла сопровождает и растворение твердых Т. в жидкостях. Здесь также происходит изменение в физическом состоянии Т., бывшего раньше твердым. Термодинамика дает возможность подсчитать тот тепловой эффект, который наблюдается при растворении. Как уже упомянуто выше, различие трех физических состояний обусловливается, согласно общепринятому атомическому учению, исключительно характером движения молекул Т. А потому всякое твердое Т., молекулы которого обладают прочностью, т. е. не распадаются на составляющие их атомы при повышении температуры (иначе при увеличении скорости движения как самих молекул, так и атомов внутри последних), должно при соответствующем нагревании превращаться в жидкость, а затем при еще большем нагревании и в газ. Впрочем, ввиду того, что жидкое состояние представляет собой по всем своим свойствам лишь промежуточное состояние между твердым и газообразным, возможен переход твердого Т. при достаточном его нагревании непосредственно в газ. Такой случай представляет уголь. Уголь при температуре вольтовой дуги лишь только размягчается и затем обращается в пары. Понижение температуры, т. е. уменьшение скорости движения молекул, должно вызывать совершенно обратное действие. При понижении температуры газообразное Т. должно превращаться в жидкое, а затем при еще большем охлаждении отвердевать. В настоящее время мы имеем уже средства получать в жидком состоянии все известные нам газообразные Т. В 1823 г. Мих. Фарадей обратил в жидкое состояние очень многие газы и в том числе хлор. В 1877 г. удалось двум физикам, Кальете в Париже и Пикте в Женеве, обратить в жидкость кислород и воздух, а в 1898 г. Дьюр получил, наконец, в жидком состоянии водород и гелий, два Т., представляющие собой наиболее прочные газы. Все эти Т., за исключением гелия, были переведены и в твердое состояние. В табл. III приведены темп. плавления, критические темпер. и давления, а также температуры кипения для некоторых наиболее характерных Т. В этой таблице указаны и плотности этих Т.

Таблица III.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

|                                     |                      | Критич.         | Критич.          | Темп. кипения | Плотность к воде                                 |

| Название вещества:     | Темп. плав.   | темпер. в      | давление       | при атмосф.    |-------------------------------------------------------------|

|                                     | в град. Ц.      | град. Ц.         | атмосф.        | давл.              | Газовое при 0°   | Жидкое  | Твердое    |

|                                     |                      |                      |                      |                        | и 760 мм            |               |                 |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Гелий                           | —                  | —                  | —                  | —257 (?)         | —                      | —           | —             |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Водород                      | —257            | —241(?)         | —                  | —252              | 0,0000899 0,07   | 0,086      |                 |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Азот                             | —214            | —146            | 35                  | —194,5           | 0,001251            | 0,885      | —             |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Окись углерода            | —207            | —141            | 36                  | 190                 | 0,001251            | —           | —             |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Воздух                         | —                  | —140            | 39                  | —191,4           | 0,001293            | —           | —             |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Аргон                           | —189,6 —     | 50,6               | —187             | —                   | 1,5                     | —           |                 |

|                                     | 121                |                      |                      |                        |                          |               |                 |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Кислород                     | —                  | —118,8          | 50                  | —183              | 0,001429            | 1,124      | —             |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Озон                            | —                  | —                  | —                  | —119 —125     | —                      | —           | —             |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Окись азота                 | —167            | —93,5           | 712                | —153,6           | 0,001344            | —           | —             |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Закись азота                | —115            | —35,4           | 75                  | —87,9             | 0,001974            | —           | —             |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Фтор                            | —                  | —120(?)         | 40(?)              | —187              | —                      | 1,14        | —             |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Метан                          | —                  | —95,5           | 50                  | —164              | 0,0007202          | 0,415      | —             |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Этилен                         | —169            | +10,1             | 51                  | —102,5           | 0,001252            | 0,571      | —             |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Хлор                            | —102            | +141              | 83,9               | —36,6             | 0,003180            | 1,3          | —             |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Хлористоводор. кисл.   | —116            | +51,25           | 86                  | —35                | 0,001613            | 0,908      | —             |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Сернистый водород     | —85              | +100,2           | 92                  | —61,8             | 0,001542            | —           | —             |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Сернистый углерод      | —110            | +271,8           | 74,5               | —46                | 0,003420            | —           | —             |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Аммиак                        | —75              | +130              | 115                | —33,7             | 0,000762            | —           | —             |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Угольная кислота         | —                  | +31               | 75                  | —78                | 0,001977            | 0,83        | —             |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Сернистая кислота       | —                  | +155,4           | 78,9               | —8                  | 0,002869            | 1,43        | —             |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Вода                            | 0                   | +358,1           | —                  | +100               | 0,000806            | 1            | 0,916        |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Алкоголь                      | —130            | +243,6           | 62,7               | +78                 | —                      | 0,806      | —             |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Эфир                           | —117,4          | +195,5           | 40                  | +35                 | —                      | 0,736      | —             |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Хлороформ                  | —71              | +260              | 54                  | +91                 | —                      | 1,526      | —             |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Ртуть                           | —38,85          | —                  | —                  | +358,8             | —                      | 13,596    | —             |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Олово                          | +232              | —                  | —                  | ок 1500°          | —                      | 7,025      | 7,3            |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Свинец                         | +328              | —                  | —                  | —                   | —                      | 10,37      | 11,35        |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Цинк                            | +418              | —                  | —                  | ок 950°            | —                      | 6,48        | 7,1            |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Серебро                       | +968              | —                  | —                  | —                   | —                      | 9,51        | 10,15        |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Золото                         | +1072            | —                  | —                  | —                   | —                      | —           | 193           |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Медь                           | +1082            | —                  | —                  | —                   | —                      | 8,21        | 8,9            |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Железо                        | +1600            | —                  | —                  | —                   | —                      | 688         | 7,9            |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Платина                       | +1775            | —                  | —                  | —                   | —                      | —           | 21,5          |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Иридий                        | +1950            | —                  | —                  | —                   | —                      | —           | 22,4          |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Уголь                           | —                  | —                  | —                  | ок 3500°          | —                      | —           | —             |

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

И. Боргман.