Плотность

Свойства жидкости, описанные в предыдущей главе, являются весьма важными в связи с фундаментальным вопросом рассмотрения структуры строения материи — вопросом, который больше всего волновал ученых уже во времена древних греков.

Насколько можно видеть невооруженным глазом, материя может быть разделена на части неопределенное количество раз. Частичка бумаги может быть порвана пополам, на четверть, на восемь частей — и все еще оставаться бумагой. Капля воды может быть разделена на две меньшие капли или на четыре еще меньшие капли — и все еще оставаться водой. Может ли такое деление продолжаться вечно? Действительно ли материя непрерывна даже в своей окончательной малости? Так как не имелось никакой технической возможности, при помощи которой древние мыслители могли бы проверить это практическим путем, они обратились к логическим аргументам, основанным на том, что они считали первыми принципами.

Некоторые философы, особенно Демокрит из Абдерры (V столетие до н.э.), поддерживали ту точку зрения, что материя не может быть разделена вечно навсегда, что в конечном счете можно достигнуть некоторой очень маленькой части, которую уже невозможно будет далее разделить. Такую частицу материи он назвал «atomos» (в буквальном переводе — «неделимая часть»), и теперь мы говорим о его взглядах, что они представляют «атомизм», или «теорию атома».

Другие греческие философы, особенно Аристотель, приводили доводы против этого понятия, однако приведенные против атомистической идеи контрдоводы кажутся нам нелогичными. Но, вообще говоря, неатомистическое представление о материи добилось успеха и оставалось в среде ученых превалирующим мнением в течение двух тысяч лет.

Если мы ограничимся изучением свойств твердых тел, то вполне можно принять аристотелевское представление о материи, потому что, когда разговор идет о твердом теле, мы не видим никаких признаков чего-либо, что заставило бы нас сделать логический вывод о том, что оно состоит из скопления мелких частиц. Больше того, если бы это было так, то мы должны бы были предположить, что частицы твердого тела крепко связаны между собой, потому что все твердые тела ведут себя «как одно целое». Ну а если мы предполагаем, что частицы твердого тела так крепко связаны между собой, то почему бы нам не отказаться от теории существования мелких частиц в целом и не сделать вывод о том, что твердое тело в первую очередь представляет собой единую часть непрерывной материи?

Совершенно другая ситуация возникает в случае, когда мы рассматриваем жидкости. Сам факт того, что жидкости не двигаются «как одно целое», уже заставляет нас предположить, что они могут состоять из отдельных частиц. Масса крошечных металлических опилок или куча порошка тоже примут форму любого сосуда, в который их поместить, и, если мы наклоним сосуд, они будут «литься» так, как это делала бы жидкость. Если бы частицы были достаточно липкие, то они «лились» бы подобно вязкой жидкости.

Фактически многие свойства жидкостей можно было бы легко объяснить, если предположить, что они состоят из субмикроскопических частиц, которые каким-либо образом притягивают друг друга. Например, таким образом можно было бы объяснить поверхностное натяжение.

Однако те свойства жидкостей, которые заставляют нас предположить в них явление атомизма, с большей вероятностью, чем в твердых телах, становятся еще более усиленными в газах. И фактически именно изучение газов, которым активно занимались ученые в XVII и XVIII столетиях, наконец вынудило ученых полностью изменить свое раннее решение, принятое в пользу Аристотеля, и снова, уже в начале XIX столетия, отдать предпочтение незаслуженно отвергнутому представлению Демокрита.

Наиболее ясное и очевидное отличие газов от жидкостей — их плотность. По сравнению с жидкостями газы менее плотные — более разреженные.

В английской системе измерений плотность воды равна 62,43 фунта на один кубический фут. Если мы используем метрические единицы измерения, то это — один грамм на кубический сантиметр (1 г/см³)[43] в системе СГС и десять килограммов на кубический метр (10 кг/м³) в системе МКС. Наименее плотная жидкость, которая существует при комнатной температуре или ниже, — жидкий водород, в то время как самой плотной является ртуть. Первая имеет плотность 0,07 г/см³, а последняя обладает плотностью, равной 13,546 г/см³. (При повышенной температуре некоторые металлы, такие как платина, плавятся, превращаясь в жидкости с плотностью, достигающей 20 г/см³.)

Плотности твердых тел попадают также главным образом в пределы этого диапазона. Самое легкое из твердых тел — твердый водород — имеет плотность 0,08 г/см³, в то время как самый тяжелый — металлический осмий — имеет плотность, равную 22,48 г/см³.

Такие плотности также характеризуют при помощи «удельного веса» тела — термина, возникшего еще в Средневековье. Удельный вес может быть определен как отношение плотности вещества к плотности воды. Другими словами, если плотность ртути равна 13,546 г/см³, а плотность воды — I г/см³, то удельный вес ртути равен (13,546 г/см³)/(1 г/см³), или 13,546.

Поскольку плотность воды равна 1 г/см³, удельный вес тела получается численно равным плотности в системе СГС, но не следует вводить себя в заблуждение этим очевидным равенством, поскольку в единицах измерения содержится важная разница. При делении плотности на плотность единицы измерения (г/см³, в случае, рассматриваемом в предыдущем параграфе) сокращаются, поэтому значение для удельного веса является безразмерным, то есть просто числом.

Единицы измерения сокращаются при расчете удельного веса независимо от того, какая система единиц измерения используется для выражения плотности. В системе МКС плотность ртути и воды равна соответственно 135,46 кг/м³ и 10 кг/м³. Решив это отношение, мы получаем, что удельный вес ртути, как и прежде, равен 13,546. В английской системе единиц измерения плотность ртути и воды равна 845,67 фунта на кубический фут и 62,43 фунта на кубический фут, а их отношение по-прежнему равно 13,546.

Именно этим и удобны безразмерные величины — они универсально используются с любыми системами единиц измерения.

Удельный вес газов намного меньше, чем жидкостей или твердых тел. Наиболее часто встречающийся газ — воздух — имеет удельный вес, равный при нормальных условиях 0,0013. Самый легкий газ — водород — имеет при нормальных условиях удельный вес, равный 0,00009. Примером очень плотного газа является вещество под названием «гексафторид урана», который при нормальных условиях является жидкостью, но если его слегка нагреть, то он переходит в газообразную форму с удельным весом, равным 0,031.

Таким образом, при нормальных условиях даже самые плотные газы обладают вдвое меньшей плотностью, чем наименее плотные жидкости или твердые тела, в то время как обычный газ, типа воздуха, имеет плотность, равную только ¹/₇₀₀ плотности наиболее обычной жидкости, типа воды, и только ¹/₂₀₀₀ плотности наиболее обычных твердых тел, типа камней, составляющих поверхность Земли.