faqo.ru Константы и конверторы

В настоящее время можно считать твердо установленным, что жидкость может затвердевать после ее охлаждения до температуры плавления только при наличии в ней «центров кристаллизации». В случае их отсутствия жидкость «переохлаждается», т. е. температура понижается ниже точки плавления данного вещества, но вещество остается в жидком состоянии. Возможность такого переохлаждения для воды была замечена уже более двухсот лет назад, в 1724 г., Фаренгейтом.

Позднее были установлены и изучены разнообразнейшие обстоятельства, способствующие как затвердеванию переохлажденной жидкости, так и ее сохранению в жидком виде. Выяснилось, что громадное значение для начала кристаллизации имеет «заражение» какими-либо твердыми частицами. Так^ если вода имеет поверхность, доступную действию атмосферного воздуха со взвешенными в нем пылинками различных твердых веществ, то ее трудно переохладить. Напротив, в запаянной пробирке, особенно при откачке оттуда воздуха, вода очень легко переохлаждается.

Кристаллизацию переохлажденной жидкости обыкновенно можно вызвать, потирая какой-нибудь твердой палочкой внутреннюю стенку стеклянного сосуда, в котором находится жидкость. При этом, по всей вероятности, от стенки отрываются микроскопические частички стекла, и они-то играют роли затравки.

К таким же заключениям приводят и факты, взятые из практических наблюдений. Капитан корабля «Днсковери» Р. Ф. Скотт записал 12 сентября 1902 г. в корабельном журнале, что сети и веревки, спущенные под воду (очевидно, переохлажденную), оказывались после их поднятия покрытыми кристаллами льда, причем в одном случае вокруг линя толщиной в 1 дюйм (2,54 см) образовался цилиндро-хлопьевидного льда диаметром около 25 см. Кристаллы льда в виде листочкоз были перпендикулярны к канату, и их плоскости взаимно пересекались под углом 60°. «Все это,— по словам Скотта,— похоже на красивое кружево; выставляя его на свет, мы видим сквозь него роскошные краски спектра, как от призмы. От прикосновения лед распадается на куски, и каждый листочек можно расщепить на тончайшие слои».

При этом нельзя упускать из вида, что кристаллизация жидкости сопровождается выделением теплоты, и если эту теплоту не удалять, то температура жидкости поднимется до такого предела, когда кристаллизация уже будет невозможна. Поэтому за ростом кристаллов из их зародышей удобно следить в переохлажденной жидкости. Так и поступал .виднейший современный исследователь этих вопросов Тамман, основоположник учения о центрах кристаллизации и признанный авторитет в этой области. Он и его сотрудники исследовали многочисленные жидкости, определяя для них две величины: скорость образования зародышей в зависимости от степени переохлаждения и затем, с полученными зародышами, скорость их роста.

Однако среди исследованных Тамманом жидкостей отсутствовала вода. По признанию Таммана первые же центры кристаллизации у воды растут с такой быстротой, что через незначительное время весь сосуд заполняется тонкими ледяными иглами, и поэтому невозможно проследить за скоростью возникновения кристаллических зародышей.

Технические трудности, помешавшие Тамману наблюдать начальную стадию кристалтизации воды, удалось преодолеть мне, причем оказалось, что для преодоления этих трудностей потребовались вовсе уж не чрезмерно сложные приемы.

В. своих работах по изучению кристаллизационных свойств воды вообще и ядер кристаллизации ее в частности я исходил из вывода теоретиков физико-химиков о том, что при малых переохлаждениях скорость развития ядер очень мала, а также из данных опыта, подтверждавших означенный вывод.

Поэтому я считал мнение Таммана, что при незначительном переохлаждении воды ядра кристаллизации будто бы развиваются настолько быстро, что технически нет возможности их изучать, неправильным, и это доказал на опыте, работая в области действительно малых переохлаждений (десятые и сотые доли градуса ниже 0°), при которых скорости развития ядер можно снизить до таких пределов, которые допускают возможность изучать ядра легко и свободно.

Таким образом преграда, мешавшая ранее Тамману и другим исследователям изучать ядра кристаллизации воды, оказалась снятой.

Для осуществления такой установки сосуд с переохлажденной водой окружался охладительной смесью из раствора соли ‘в воде со снегом; температура замерзания раствора зависит от концентрации в нем соли.

Исследование показало, что для наблюдения образования ледяных кристаллов наиболее удобны температуры между 0 и —1°. В случае более низких температур отмеченная Тамманом трудность уже сильно дает себя знать. Приходится считаться еще и с другими трудностями: с выделением теплоты при образовании кристаллов и с тем, что они стремятся всплывать вверх и уходят таким образом из-под наблюдения.

На рисунке показан один из вариантов примененной мной установки, где эти помехи уже не имеют места. Здесь буквой Я обозначен кристаллик льда, всплывающий наверх. Навстречу ему идет поток, воды, приводимой в движение вращающимся винтом. Скорость движения воды вниз поддерживается как раз такой, чтобы кристаллик оставался практически на неизменном уровне. Наружная трубка с протекающим по ней соляным раствором имеет назначением поддерживать постоянную температуру.

Применяя тонкое регулирование переохлаждения воды, можно было по желанию ускорять или замедлять, останавливать или. даже вести в обратном направлении процесс роста наблюдаемого кристалла, так что удалось уже выращенный кристалл вновь уменьшить и даже доводить до полного уничтожения.

Из этих опытов выяснилось, что форма кристаллического зародыша льда есть правильный диск, который при дальнейшем росте превращается в правильную шестиугольную пластинку прозрачного льда, а это последняя уже разрастается в шестилучевую звездочку. Дальнейший рост звездочки, которую удалось доводить до диаметра .2—3 см, дает ажурное строение, напоминающее по виду снежинку.

Громадные трудности связаны с фотографированием кристалликов. Ввиду их прозрачности их можно видеть только под таким углом зрения, при котором падающий на них свет испытывает полное внутреннее отражение. Кристаллики, вынутые из воды, обволакиваются жидкостью, а при ее удалении нарушается их нежная и тонкая структура.