1.2. Феноменологическое описание свойств жидкости и твердого тела, представление о их противоположности.

ФОРМИРОВАНИЕ ТРАДИЦИОННОЙ МОЛЕКУЛЯРНОЙ МОДЕЛИ. ИСТОРИЯ ВОПРОСА

Представления о механических свойствах твердых тел и жидкоcтей развивались с древности в связи с практическими потребностями. Представление о прочности твердых тел необходимо для расчета конструкций и сооружений; представление о механических свойствах жидкости необходимо, чтобы обсуждать, например, движение корабля и др. Сам Ньютон исследовал форму тел, обеспечивающую минимальное сопротивление движению в жидкости, дал точный вывод формулы для скорости истечения жидкости из сосуда, обсуждал с Гуком закон упругой деформации твердого тела и др. [1, 17]. Обычно внимание акцентировалось на противоположности свойств жидкости и твердого тела: твердое - это такое тело, которое сохраняет свою форму неизменной даже при действии значительных нагрузок; жидкость, наоборот, течет под действием сколь угодно малых усилий и не имеет собственной формы, принимает форму сосуда, "фигуры не имеет", по выражению Ломоносова. Твердое тело имеет прочность, жидкость ее не имеет и "уступает всякой силе" (Ньютон); скорость течения V пропорциональна действующей силе F, а коэффициент пропорциональности выражает ньютоновскую вязкость. В рамках этих представлений свойства твердого тела и жидкости нельзя выразить какими-то одними единицами, поэтому не имеет смысла вопрос о величине скачка свойств при затвердевании. Жидкость не имеет прочности, к твердому телу неприменимо понятие вязкости. Формированию представления о противоположности свойств твердого тела и жидкости способствовало то, что до Х1Х века было известно и обсуждалось затвердевание в основном лишь нескольких "нормальных" веществ - воды и нескольких металлов ( С древности известны 6 металлов (Fe, Pb, Sn, Cu, Ag,Au); в химии Лавуазье в конце ХV111 века их уже 17; в современной периодической системе элементов известно около 70 элементов-металлов.); это - жидкости с малой вязкостью, легко кристаллизующиеся; их стеклование реализуется лишь в настоящее время. Представление о противоположности или о качественном различии свойств жидкости и твердого тела оказывает сильное влияние и на современные концепции. В частности, это представление подкрепляет мнение о том, что кристаллическое вещество имеет ряд таких свойств, которыми жидкость не обладает даже в малой степени, даже в зародышевой форме; другими словами, жидкость не имеет "квазикристаллических" свойств: прочности, дальнего порядка; в ней невозможны полиморфные превращения и др. Между тем накопление опытных данных уже со второй половине ХIХ века заставило корректировать первоначальные представления о противоположности или качественном различии свойств жидкости и твердого тела. Были изучены и приняты во внимание не только маловязкие, но и высоковязкие жидкости; не только кристаллизующиеся, но и стеклующиеся жидкости, охлаждение которых при обычных условиях приводит не к скачкообразной кристаллизации, но к непрерывному нарастанию вязкости и стеклованию. Изучаются размягченные стекла, смолы и др. [17, 31]; разрабатываются представления о средах Максвелла и Кельвина, которые при высокой вязкости и быстрых воздействиях ведут себя практически как упругое твердое тело, а при уменьшении вязкости непрерывно переходят к типично "жидкостному" поведению. Максвеллу принадлежит также важная формула для времени релаксации механических напряжений: Tr =/G. Затвердевание предстало здесь уже не как качественный скачок, но как количественное нарастание вязкости примерно на15 порядков величины. В точке стеклования Т=Тст, которую принимают за границу твердого и жидкого состояний, свойства "жидкости" и "твердого тела" одинаковы, и теряет смысл, например, утверждение о том, что жидкость не имеет прочности, а твердое тело не имеет вязкости. Дальнейшее накопление данных, особенно по коллоидным системам, привело к необходимости вводить и понятие о прочности жидкости или студня; такова жидкость Бингама [32]. В дальнейшем для описания реологически сложных систем потребовалось принять во внимание более сложные эффекты, такие, как сильная зависимость вязкости от величины нагрузки, от времени деформации, от предыстории, упрочнение и разупрочнение при деформации, упругое последействие и др., вводить различные комбинации вязкости, упругости, пластичности [32]. Усложнялось и описание твердого тела. Величина предела прочности пч оказалась не постоянной, но зависящей от характера нагружения, от колебаний нагрузки во времени, от внешнего давления, от размера образца ("масштабный фактор"), даже от среды (эффект Ребиндера), и др. Как это часто бывает, форма описания механических свойств через предел прочности сохранялась, но вводились поправки в виде дополнительных предельных величин: пределы прочности отдельно для сжатия, растяжения, сдвига, пределы текучести, ползучести, усталости и выносливости материала, релаксации напряжений и др. Чтобы неточность теории не привела к разрушению конструкции, в инженерные расчеты вводился большой, например, десятикратный, коэффициент запаса прочности, в сущности, "коэффициент незнания", характеризующий возможную ошибку теории. Различные современные теории прочности принимают, что разрушение материала наступает при определенной величине касательных напряжений или же при определенной упругой деформации, при предельном значении некоторой линейной или квадратичной функции трех главных напряжений [33], при достижении определенной величины запасенной неупругой энергии деформации [34]. Если раньше при превышении предела прочности предполагалось разрушение твердого тела, то современные данные указывают на элементы течения, подобного жидкостному, даже при хрупком разрушении. Современная кинетическая теория прочности [35] принимает существование некоторого течения во всех случаях, то есть рассматривает "временной аспект" разрушения; при этом описание твердого тела становится близким к описанию жидкости. В современных процессах обработки металлов давлением (прокатка, прессование и др.) металл претерпевает большую пластическую деформацию, течет со значительными скоростями V, причем его вязкость = /V при этом оказывается обычно величиной, приблизительно равной 10¹² Па*с, то есть значениям, которые исследователи стекол принимают за граничные между жидкостью и твердым телом. При переходе к более тщательным измерениям нередко выявляется очень медленное течение ("ползучесть") в таких нагруженных состояниях, для которых раньше предполагалось сохранение формы. Дальнейшее повышение точности, очевидно, приведет к выявлению течения и в некоторых других нагруженных состояниях. В целом под давлением накапливающихся опытных данных теории механических свойств жидкости и твердого тела развиваются "навстречу друг другу", заполняя, каждая со своей стороны, область переходных промежуточных состояний. Исходное представление о противоположности и качественном различии свойств жидкости и твердого тела остается справедливым лишь для перегретой простой жидкости и абстрактного "абсолютно твердого тела". Таким образом, представление о противоположности свойств жидкости и твердого тела сложилось в значительной степени по случайным историческим причинам - вследствие того, что вначале в центр внимания попали данные о кристаллизации "нормальных" жидкостей с малой вязкостью и не было учтено стеклование. В точке стеклования свойства жидкости и стекла одинаковы, включая и квазикристаллические свойства; это опровергает представление об отсутствии у жидкости прочности и других "твердотельных" свойств. Если бы при формировании концепции были учтены современные данные о жидких кристаллах и фазовых переходах в них, то, вероятно, не сложились бы и представления о невозможности дальнего порядка и фазовых переходов в жидкостях.