смеси. Смесь жидкой и твердой ртути в случае нагревания реагирует также таяньем, противодействующим изменению температуры; но на повышенное давление реакция противоположная — часть ртути замерзает. Почему? Потому что ртуть, как и огромное большинство тел, в твердом виде занимает объем меньший, чем в жидком, и следовательно, росту давления в смеси противодействует не таяние, а замерзание ртути; оно и происходит; вода, по исключению, представляет противоположные отношения объема, поэтому то же противодействие достигается обратным путем[36]. Если в электрическом проводнике циркулирует постоянный ток, то всякое изменение этого тока вызывает так назыв. самоиндукцию, которая направлена противоположно этому изменению, уменьшает его, и т. под.
Закон Ле-Шателье формулируется так:
если система равновесия подвергается воздействию, изменяющему какое-либо из условий равновесия, то в ней возникают процессы, направленные так, чтобы противодействовать этому изменению.
Уже давно из опыта известно, что закон этот действителен не только для физических и химических систем, но и для многих других. Так, живые организмы в обычных условиях относятся к внешним воздействиям подобным же образом. Если человеческое тело подвергать охлаждению, в нем немедленно начинают усиливаться окислительные и другие химические процессы, развивающие теплоту; если же нагревать его извне, то повышается потоотделение с испарением, поглощающим теплоту. Таков же смысл «съеживания» от холода, при чем уменьшается поверхность охлаждения; и когда черепаха прячется, при всяких неблагоприятных влияниях, в свой щиток, это, опять-таки, уменьшение поверхности внешнего воздействия. — Согласно закону Вебера-Фехнера, по мере роста внешнего раздражения ощущение растет не в такой же мере, а только пропорционально его логарифму, т. е. сравнительно все медленнее[37]; это означает, что вместе с силой внешнего раздражения возрастает, все быстрее, сопротивление ему, так что до нервных центров энергия наиболее сильных раздражений доходит в наименьшей доле; иначе эти центры, с их тонкой чувствительностью, зависящей от нежного строения, быстро разрушались бы. Так, наше зрение еще воспринимает свет звезды 6 величины; но световое раздражение от солнечного диска приблизительно в четыре миллиона миллионов раз значительнее; какой мозг был бы способен выдерживать непосредственно такие различия силы воздействий?
Можно путем простого анализа показать, что закон равновесия применим ко всякой системе, сохраняющей свое данное строение в данной среде. Начнем со сравнительно простого и весьма типичного примера, системы — «вода и лед при 0°С». Пусть она подвергается нагреванию. Согласно современной научной символике, это значит, что колебания молекул в окружающей среде становятся более энергичными, и их удары, передающиеся молекулам воды и льда — более сильными. Эта энергия движения частиц, выражающаяся в их «температуре», есть активность одного порядка с их сцеплением, способна с ним конъюгировать, парализуя его. Так здесь и происходит.
Нагревшиеся молекулы воды своими усилившимися ударами передают избыток своей энергии движения пограничным молекулам льда. Избыток этот парализуется активностями сцепления льда, пока не уравняется с ними; а тогда получается полная дезингрессия, которая, как мы знаем, вызывает разрыв связи: поверхностная частица льда отрывается, переходит в массу жидкой воды. Вся избыточная тепловая энергия, приобретенная частицею до того момента, ушла на борьбу с активностями сцепления, на то, чтобы парализовать их; поэтому кинетическая энергия самой частицы оказывается не больше, чем была, и по- прежнему измеряется температурой 0°. То же происходит и со следующими частицами льда. Таким образом, при нагревании общей массы воды, в пограничной со льдом области поддерживается прежний уровень 0°, противодействуя этому нагреванию, пока не исчезнет весь лед.
Если дело идет не о нагревании, а о повышающемся давлении, то это означает, что кинетическая энергия частиц окружающей среды в среднем для каждой частицы не увеличивается, но увеличивается число их ударов, действующих на пограничную область данной системы. И здесь, от частиц к частицам прибавляющиеся активности давления передаются внутрь ее. Они увеличивают частоту столкновений между частицами, стремясь, тем самым уменьшить размах их движений. И опять-таки, эти вливающиеся активности способны конъюгироваться и вступать в дезингрессию со сцеплением молекул льда; при дезингрессии они, как и в том случае, их отрывают и присоединяют к жидкости, а так как объем воды меньше, чем объем льда, то давление тем самым уменьшается.
Но, как уже упоминалось, вода — исключение. Если взять другую подобную систему, напр., «твердая ртуть — жидкая ртуть», то наблюдается прямо противоположное. Добавочные активности давления вступают в дезингрессию не со сцеплением частиц твердого тела системы, а с активностями, противодействующими сцеплению в жидкости. Давление уменьшает амплитуду (размах) движения частиц жидкости, так что эта амплитуда становится меньше расстояния между частицами, и они колеблются уже не заходя друг за друга, не перемешиваясь свободно, а удерживаясь около одного среднего положения: так именно движутся частицы твердого тела. Происходит замерзание некоторой доли жидкости; при этом объем ее, однако, уменьшается, что, как в предыдущем случае таянье льда, уменьшает давление.
Почему же активности одного рода — сила давления — парализуют, путем дезингрессии, в двух разных случаях не одинаковые, а прямо противоположные активности, как бы выбирая те, которые надо по закону Ле-Шателье? — Дело именно в выборе и есть, только не в сознательном, разумеется, а в стихийном подборе.
Молекулярные движения научная теория представляет в виде бесчисленных и разнообразно направленных «бесконечно малых» активностей. Если в систему вступают извне новые такие активности, то, очевидно, следует принять всевозможные их сочетания с прежними, всевозможные элементарные их столкновения, их конъюгации, дезингрессии. Но из этих сочетаний одни будут устойчивы, другие неустойчивы; первые будут удерживаться, вторые — устраняться подбором.
Так, в системе «вода — лед» активности внешнего давления должны вступать в дезингрессии частью с движением молекул жидкости, переводя их в твердое состояние, частью со сцеплением молекул льда, расплавляя его. Но так как лед занимает больше объема, чем вода, из которой он получился, то в случаях первого рода от этого давление будет возрастать, в случаях же второго рода оно будет уменьшаться. Спрашивается, какие их этих изменений окажутся устойчивее?
Ответ зависит от строения системы, в которой эти процессы происходят; пока оно неизвестно, не исключена ни та, ни другая возможность. Но надо вспомнить, что такие же точно процессы шли в системе и раньше, до вступления новых активностей: отдельные частицы воды переходили в лед, увеличивая внутреннее давление, отдельные частицы льда — в воду, уменьшая давление. Если бы те или другие из этих изменений были более устойчивыми, то вся система отнюдь не являлась бы системою равновесия, ее структура непрерывно преобразовывалась бы, в первом случае в одну сторону, во втором — в другую. Этого не было: те изменения, которые переходили известную границу, немедленно оказывались менее устойчивыми и устранялись подбором. Структура систем равновесия, для современного научного мышления, тем и характеризуется, что они заключают в себе противоположные процессы, взаимно нейтрализующиеся на некотором уровне. Дело представляют таким образом, что на этом уровне напряжения противоположно направленных активностей равны; когда же один из двух процессов, усиливаясь, поднимается над этим уровнем, то напряжение соответственных активностей становится более значительным, и поток их направляется в обратную сторону, как вода, поднявшись выше своего среднего уровня, падает вниз. Так поддерживается равновесие, а с ним устойчивость системы, в обычных условиях.
Теперь можно судить заранее о том, что получится, когда вступающие извне активности давления в различных конъюгациях и дезингрессиях обусловливают превращение некоторых частиц воды в лед, некоторых частиц льда в воду. Изменения первого рода, еще увеличивая давление, создают новую разность напряжений, которая направляет поток активностей в обратную сторону; следовательно, эти изменения неустойчивы, подбором устраняются. Изменения второго рода, уменьшая давление, которое уже повышено над средним уровнем, уменьшают и разность напряжений, и обратного потока активностей не вызывают; а потому они устойчивее первых, подбор для них благоприятнее. Результат именно тот, какой соответствует закону Ле-Шателье: обнаруживается процесс, уменьшающий эффект внешнего воздействия, как бы
