«Я должен признаться, — говорит он, — что когда бы я ни рассматривал внимательно эту картину, она всегда пробуждает во мне особый род умственного наслаждения, потому что здесь открыто физическому зрению то, что в случае волн невидимого атмосферного океана может стать понятным лишь глазу понимающего, и лишь при помощи длинного ряда сложных рассуждений» («Tonempfindungen», стр. 42).
Гельмгольц живёт в Берлине, руководя в своей прекрасной лаборатории работой талантливых учёных.
Будем надеяться, что в своём настоящем положении он снова сделает широкий обзор волн и ряби нашего интеллектуального прогресса и время от времени будет сообщать нам своё мнение о значении всего этого.
Строение тел
Вопрос о том, конечно ли число мельчайших частиц, составляющих тела, или же, наоборот, тела неограниченно делимы, относится к вопросу о первичном строении тел и трактуется в статье «Атом».
То, как простые вещества соединяются, образуя вещества сложные, называется химическим строением тела и трактуется в химии.
То, как ощутимые количества простого или сложного вещества группируются для образования некоторой массы, обладающей определёнными наблюдаемыми свойствами, называется физическим строением тела.
Тела можно классифицировать в отношении их физического строения, исходя из действия внутреннего напряжения при изменении их размеров. Если тело может сохранять равновесие под действием напряжения, не являющегося равномерным по всем направлениям, оно называется твёрдым телом.
Когда тело таково, что оно не может находиться в равновесии, если напряжения в каждой точке неодинаковы по всем направлениям, про него говорят, что оно обладает свойством текучести.
Существуют некоторые вещества, любое количество которых, как бы оно ни было мало, способно беспредельно распространяться и заполнять любой сосуд, как бы он ни был велик. Они называются газами. Существуют другие текучие вещества, небольшое количество которых, помещённое в большой сосуд, не расширяется сразу, равномерно заполняя сосуд, но собирается на дне даже тогда, когда давление устранено. Эти вещества называются жидкостями.
Когда жидкость помещается в такой большой сосуд, что она занимает лишь часть его, то часть жидкости начинает испаряться или, другими словами, переходит в газообразное состояние, и этот процесс продолжается до тех пор, пока вся жидкость не испарится или пока плотность газообразной части вещества не достигнет некоторого предела. Жидкая и газообразная части вещества находятся тогда в равновесии. Если уменьшить теперь объём сосуда, то часть газа сгустится в жидкость, а если увеличить его, то часть жидкости испарится и превратится в газ.
Испарение и конденсация, при которых вещество переходит из жидкого в газообразное, а из газообразного в жидкое состояние, являются прерывными процессами, т. е. свойства вещества непосредственно перед изменением и после него чрезвычайно различны. Но это различие тем слабее во всех отношениях, чем выше температура, при которой происходит это изменение, и Каньяр де ля Тур показал в 1822 г.20*, что многие вещества, как например, эфир, алкоголь, сероуглерод и вода, будучи нагреты до достаточно высокой температуры, переходят в состояние, столь же отличающееся от обычного газообразного, как и от жидкого. После этого д-р Эндрюс21* произвёл полное исследование свойств углекислоты при температуре как ниже, так и выше той, при которой прекращаются явления сжижения и испарения, и таким образом исследовал и установил непрерывность жидкого и газообразного состояния материи.
Так, при температуре, скажем, 0°С и при обычном атмосферном давлении углекислота — газ. Если сжимать этот газ до тех пор, пока давление не поднимется приблизительно до 40 атмосфер, происходит сжижение, т. е. части вещества последовательно переходят из газообразного в жидкое состояние.
Рассматривая вещество, когда часть его уже сжижена, мы обнаруживаем, что жидкая углекислота на дне сосуда имеет все свойства жидкости и отделена отчётливой поверхностью от газообразной углекислоты, занимающей верхнюю часть сосуда.
Но мы можем превратить газообразную углекислоту при 0° С в жидкую углекислоту при 0° С, и без резкого изменения, повышая сначала температуру газа до 30°, 92 С, что является критической температурой, затем повышая давление приблизительно до 80 атмосфер и, наконец, охлаждая вещество, все ещё под высоким давлением, до нуля.
В течение всего этого процесса вещество остаётся совершенно однородным. Между веществом в обоих состояниях нет поверхности раздела, не наблюдается также какая-либо внезапная перемена, подобная той, которая имеет место в случае сжижения газа при низких температурах. Но в конце процесса вещество несомненно окажется в жидком состоянии, так как если мы теперь понизим давление до величины, несколько меньшей 40 атмосфер, мы увидим в веществе обычное разделение между его жидкой и газообразной частью, т. е. часть его испарится, а другая останется на дне сосуда, и между жидкой и газообразной частью его будет отчётливая поверхность раздела.
Переход вещества из жидкого в твёрдое состояние и обратно происходит с различной степенью внезапности. Ряд веществ, как, например, некоторые металлы с более ясно выраженной кристаллической структурой, по-видимому, очень резко переходят из совершенно жидкого состояния в совершенно твёрдое. В некоторых случаях расплавленное вещество, по-видимому, перед тем как затвердеть, делается гуще, но это может происходить благодаря образованию в ещё жидкой массе множества твёрдых кристаллов, так что до тех пор пока расплавленное вещество, в котором плавают кристаллы, все не затвердеет, консистенция этой массы становится подобной консистенции смеси песка и воды.
Есть другие вещества, в большинстве случаев коллоидальные, которые обладают тем свойством, что когда расплавленное вещество охлаждается, оно становится все более и более вязким, почти непрерывно переходя в твёрдое состояние. Это имеет место в случае смолы.
Теория состояния твёрдых тел будет разбираться в статье «Упругость», но поведение твёрдого тела под действием напряжения даёт нам систему названий различных степеней и видов твёрдости.
Как мы видели, вещество, обладающее свойством текучести, может выдерживать напряжение только тогда, когда это напряжение равномерно во всех направлениях, т. е. тогда, когда оно носит характер гидростатического давления.
Существует большое количество веществ, которые в такой мере соответствуют этому определению текучести, что не могут оставаться в постоянном равновесии, если внутри их напряжения не являются равномерными по всем направлениям.
Однако во всех известных жидкостях или газах в тех случаях, когда движение таково, что форма их небольших объёмов непрерывно меняется, внутреннее напряжение не является равномерным по всем направлениям, но стремится задержать относительное движение частиц жидкости или газа. Способность жидкости или газа обладать неравномерностью напряжения, обусловливаемой неравномерностью движения, называется вязкостью. Все реальные жидкости или газы вязки, начиная с патоки и дёгтя и кончая водой и эфиром, воздухом и водородом.
Но если вязкость очень мала, жидкость называется подвижной, как, например, вода и эфир.
Если вязкость так велика, что значительное неравенство напряжения, хотя и вызывает постоянно возрастающее смещение, производит это так медленно, что мы с трудом его обнаруживаем, мы часто склонны считать такое вещество находящимся в твёрдом состоянии и даже рассматривать его как твёрдое тело. Так, вязкость холодной смолы или асфальта настолько велика, что вещество скорее сломается, нежели поддастся неожиданному удару; однако, если оставить его на достаточный промежуток времени, то окажется, что оно не сможет сохранить равновесие даже под действием ничтожного неравенства напряжений, вызываемого его собственным весом, и потечёт как жидкость, пока его уровень не станет всюду одинаковым. Поэтому, если мы определим жидкость как вещество, которое не может оставаться в постоянном равновесии под действием напряжения, не являющегося равномерным во всех направлениях, то мы должны назвать упомянутые вещества жидкостями, хотя они настолько вязки, что можно по ним ходить, не оставляя следов.