Номер 1, страница 362 - гдз по физике 10 класс учебник Грачев, Погожев

Молекулярная физика и термодинамика. Глава 9. Агрегатные состояния вещества. Фазовые переходы. Параграф 66. Поверхностное натяжение. Вопросы - номер 1, страница 362.

Условие.

1. Почему жидкость стремится уменьшить площадь своей свободной поверхности?

Решение.

1. Решение

Жидкость стремится уменьшить площадь своей свободной поверхности из-за явления, известного как поверхностное натяжение. Это явление обусловлено силами межмолекулярного взаимодействия.

Рассмотрим силы, действующие на молекулы жидкости. На любую молекулу, находящуюся внутри объема жидкости, со всех сторон действуют силы притяжения от соседних молекул. Эти силы в среднем компенсируют друг друга, и их равнодействующая равна нулю.

Иная ситуация для молекул, находящихся в поверхностном слое. Эти молекулы окружены другими молекулами жидкости только с одной стороны (снизу и с боков), а с другой стороны (сверху) находятся молекулы газа или пара, плотность которых значительно меньше. Силы притяжения со стороны молекул газа пренебрежимо малы по сравнению с силами притяжения со стороны молекул жидкости. В результате на каждую молекулу поверхностного слоя действует некоторая равнодействующая сила, направленная перпендикулярно поверхности вглубь жидкости.

Чтобы переместить молекулу из глубины на поверхность, необходимо совершить работу против этой равнодействующей силы. Эта работа идет на увеличение потенциальной энергии молекулы. Таким образом, молекулы в поверхностном слое обладают избыточной потенциальной энергией по сравнению с молекулами внутри объема. Эту избыточную энергию называют поверхностной энергией.

Величина поверхностной энергии $E_п$ прямо пропорциональна площади свободной поверхности жидкости $S$:

$E_п = \sigma S$

Здесь $\sigma$ — это коэффициент поверхностного натяжения, который зависит от свойств жидкости, температуры и среды, с которой она граничит.

Любая физическая система самопроизвольно переходит в состояние с наименьшей возможной потенциальной энергией. Для жидкости это означает стремление к минимизации своей поверхностной энергии. Чтобы минимизировать $E_п$, жидкость при постоянном коэффициенте $\sigma$ должна уменьшить площадь своей поверхности $S$. Именно по этой причине небольшие капли жидкости в условиях, где сила тяжести незначительна (например, в невесомости или для очень маленьких капель), принимают сферическую форму. Сфера — это геометрическое тело, имеющее наименьшую площадь поверхности при заданном объеме.

Ответ: Жидкость стремится уменьшить площадь своей свободной поверхности из-за действия сил межмолекулярного притяжения. Молекулы на поверхности жидкости обладают избыточной потенциальной энергией (поверхностной энергией). В соответствии с общим физическим принципом минимума потенциальной энергии, система стремится к состоянию с наименьшей энергией, что для жидкости означает принятие формы с минимально возможной площадью поверхности.