Всё о науке за 60 минут - Марти Джопсон

образовывать особый тип химической связи – относительно слабую водородную связь. Вода чрезвычайно хороша в создании водородных связей, и в силу этого ей присущи также и другие странные характеристики, помимо расширения при замерзании. А именно – высокое поверхностное натяжение и капиллярное действие. В жидкой воде молекулы перемещаются с очень высокой скоростью и обладают весьма внушительным запасом энергии, препятствующим тому, чтобы водородные связи удерживали молекулы на месте. Следовательно, последние часто приближаются довольно близко друг к другу.

Когда температура падает ниже 0 °C, молекулы не могут сопротивляться водородным связям, так что они замедляются вплоть до остановки. Молекулы воды располагаются объемными слоями гексагональных решеток, причем расстояние между ними определяется длиной водородной связи. Сочетание такого специфического геометрического расположения и большой длины водородной связи обеспечивает меньшую плотность «упаковки» молекул воды относительно друг друга, чем в жидкой фазе. При меньшем количестве молекул воды, упакованных в заданное пространство, плотность уменьшается, а не увеличивается.

Хотя может показаться неважным, плавают ли кубики льда или тонут, эта особенность воды оказывает значительное влияние на наш мир. Например, огромная арктическая ледяная шапка со всеми живущими на ней белыми медведями и песцами плавает над Северным полюсом, а не лежит на дне океана. Неясно, каков был бы эффект, если бы дело обстояло иначе. Наверняка, если бы арктический лед тонул, началось бы постепенное накопление льда на дне океана, что охлаждало бы воду наверху, а с ней и всю атмосферу. Формировалось бы еще больше льда и так далее, пока океаны не стали бы полностью ледяными, мир превратился бы в гигантский снежный ком, и мы все погибли бы. Хотя я признаю, что это, пожалуй, все же немного мелодраматично. Во всяком случае, зимний лед на дне озер и ручьев точно привел бы к исчезновению многочисленных классов ракообразных, которые там живут.

Очевидно, что плотность замерзшей воды неизменна. Это фундаментальное физическое свойство, результат специфической химии воды. И эта особенность вовсе не счастливая случайность. Скорее, это результат движущей силы эволюции жизни на нашей планете. Если бы лед не плавал, нас почти наверняка бы здесь не было, и мы бы не обсуждали эту тему. Однако это, вероятно, последнее, что вы хотели бы слышать под звон кубиков льда в бокале, так что я предлагаю вам выбросить это из головы и насладиться напитком, прежде чем парадоксально плавающий в нем лед растает.

Чудесный насос восковой свечи

Возьмите спичку, чиркните ею и поднесите пламя к фитилю свечи. Через несколько мгновений свеча начнет мерцать, и оранжевое пламя оживет. Теперь оставьте свечу гореть, и со временем она станет короче. Ясно, что воск поглощается пламенем и используется в качестве топлива. Но теперь возьмите вторую свечу, вторую зажженную спичку и попробуйте поджечь саму свечу. Это сделать невозможно. Как бы вы ни старались, у вас не получится поджечь воск, из которого состоит свеча, но вы легко можете зажечь фитиль. Невероятно, но воск не воспламеняется.

Это, казалось бы, парадоксальное наблюдение поспособствовало появлению одной из самых ранних и увлекательных научно-популярных книг – «Химической истории свечи» Майкла Фарадея. Она составлена из заметок слушателей курса из шести лекций, прочитанных Фарадеем в 1848 году в ходе ежегодных Рождественских лекций в Королевском институте Великобритании. (Эта традиция – читать рождественские лекции – сохраняется по сей день.) Сам Фарадей был блестящим ученым, который открыл несколько химических элементов и изобрел электрический двигатель. Кроме того, многие считают, что именно он стоит у истоков такого явления, как популяризация науки. Фарадей обладал уникальным складом ума, так что как никто мог довести незамысловатое, но вполне научное наблюдение за свечой до поразительной глубины, просто ставя перед собой нужные вопросы.

Итак, при комнатной температуре воск является негорючим твердым веществом. Но пламя свечи обусловлено горением газообразной формы воска, или паров воска. Может быть, само по себе это и не удивительно, поскольку пламя явно не твердое и не жидкое. Но что делает свечу замечательной, так это то, что она представляет собой элегантный невидимый насос, преобразующий твердый воск в газ, который затем сгорает.

Фитиль свечи обычно делается из плетеного хлопчатобумажного материала, который сам по себе не горит особенно хорошо. Однако при наличии воска этот процесс протекает гораздо лучше и к тому же дает много тепла, которое высвобождает твердый воск внизу. Огонь плавит воск, превращая его из твердого вещества в жидкость, а жидкость затем поднимается вверх по фитилю под действием капиллярных сил. Когда жидкий воск приближается к горящей части фитиля, воск испаряется, переходя из жидкого состояния в газообразное. Этот горячий пар начинает подниматься, втягиваемый конвекцией воздуха вокруг него в пламя горящего фитиля. Теперь у нас есть восковой пар и большое количество кислорода из воздуха, а также источник воспламенения. Восковой пар сгорает, образуя большое пламя с большим количеством излучаемого тепла. Все больше твердого воска плавится и втягивается в фитиль. Природный насос, заключенный в свече, начал работать и будет работать до тех пор, пока не закончится воск или не погаснет пламя. Представленный таким образом, этот процесс кажется простым, но каждый его этап имеет свои замечательные тонкости.

Капиллярное действие – это интересное явление, возникающее из-за склонности молекул жидкости прилипать друг к другу и их способности прилипать к другим объектам. Это позволяет жидкости подтягивать себя «за свои собственные волосы». Для того чтобы капиллярное действие сработало, необходимо соответствие некоторых физических свойств жидкости, а именно ее поверхностного натяжения и плотности. В случае со свечой между нитями хлопка в фитиле есть узкие промежутки. Эти промежутки имеют подходящую ширину для подъема жидкого воска, поэтому фитили почти всегда изготавливают именно из хлопка. И поэтому все фитили на частично сгоревших свечах примерно одинакового размера. Именно негорючий жидкий воск в фитиле останавливает его полный подъем и сгорание в пламени. Так что высота, на которую воск поднимается в фитиле, определяется капиллярным действием и составляет около 1 см. То есть на такую высоту фитиль может возвышаться над воском.

Форма верхней части свечи также имеет решающее значение для успешного горения. Когда свеча горит уже некоторое время, наверху образуется знакомая лужица. Она представляет собой резервуар с жидким воском, готовым к тому, чтобы его втянул фитиль, на вершине которого воск испарится и сгорит. Если у вас не получается такой лужицы, значит, вы неправильно сделали свечу или ваша свеча слишком тонкая. Вместо того чтобы гореть хорошо, она будет оплывать и тухнуть, ведь в фитиле окажется меньше воска. Короче говоря, преимущества наличия лужицы воска бесспорны,