Фильтрационные явления

В термопаре и гальваническом элементе наличие разностей температур и химических потенциалов между спаями приводит к круговой циркуляции электрического заряда. Этим упомянутые явления похожи друг на друга. Однако из термодинамической теории следует, что существует большое количество других явлений, в которых круговой циркуляции подвергается не электрический заряд, а, например, диффундирующее вещество или даже макроскопические объемы жидкости или газа и т.д. [8, 10-12, 14, 16]. В последнем случае термодинамическую пару целесообразно именовать фильтрационной, ибо в чистом виде такая пара встречается только в капилляре.

Фильтрационная, как и всякая другая, пара состоит из двух разнородных «проводников», первый из которых представляет собой осевой слой вещества, заполняющий капилляр, а второй – пристеночный слой того же вещества. Пристеночный слой, испытывающий молекулярное взаимодействие со стенкой, обладает существенно другими термодинамическими свойствами, чем осевой, не испытывающий такого взаимодействия. Через границу раздела оба слоя могут неограниченно обмениваться между собой веществом, однако это не мешает им все время сохранять одни и те же свойства и играть роль разнородных проводников пары. «Спаями» пары служат закрытые концы капилляра. Если между ними создать определенную разность температур, электрических, магнитных, химических, диффузионных, волновых (вибрационных) и т.д. потенциалов, то в капилляре возникает круговая циркуляция вещества: пристеночный слой движется (скользит) в одном направлении, а осевой – в противоположном. Движущей силой циркуляции служит избыточная контактная разность фильтрационных потенциалов (давлений или химических потенциалов) между спаями.

В целом принцип действия фильтрационной пары был ранее неизвестен. В разное время были открыты лишь отдельные частные эффекты, сопровождающие процесс функционирования такой пары. Например, в 1807 г. Рейс обнаружил явление электроэндосмоса. Если капиллярнопористое тело заполнить жидкостью и на его концах создать разность электрических потенциалов, то в большинстве случаев жидкость внутри тела перемещается от положительного электрода к отрицательному и создает со стороны последнего повышенное давление. Квинке в 1859 г. открыл обратное явление: если через капиллярнопористое тело проталкивать жидкость, то на его концах возникает разность электрических потенциалов. Как будет показано ниже, все эти эффекты суть составные части электрофильтрационной пары.

Отдельные частные явления, связанные с действием термофильтрационной пары, были открыты несколько позднее. Например, в 1853-1854 гг. Джоуль и Томсон пропускали газ через тампон из ваты. Между сечениями на входе и выходе газа они обнаружили разность температур. Нетрудно видеть, что термофильтрационный эффект Джоуля-Томсона аналогичен электрофильтрационному эффекту Квинке. В 1938 г. П.Л. Капица наблюдал фонтанный эффект в гелии-II [34, 35]. Движение жидкого гелия в капилляре происходило при температурах, близких к абсолютному нулю. Причиной движения служила определенная разность температур между концами капилляра. Аналогичное явление в жидкостях при комнатных температурах обнаружил Б.В. Дерягин с соавторами [24, 25]. Из сказанного ясно, что эффекты, описанные П.Л. Капицей и Б.В. Дерягиным, аналогичны эффекту Рейса.

Термическая эффузия, или кнудсеновское течение, происходящее в капилляре, диаметр которого меньше средней длины свободного пробега молекул газа, также есть типичное термофильтрационное явление [1]. В нем газ перемещается в капилляре под действием разности температур.