Номер 3, страница 270 - гдз по физике 10 класс учебник Хижнякова, Синявина

Молекулярная физика. Глава 10. Агрегатные состояния вещества. Фазовые переходы. Параграф 48. Поверхностное натяжение жидкости. Вопросы - номер 3, страница 270.

Условие.

3. Почему поверхностный слой жидкости находится в растянутом напряжённом состоянии?

Решение.

Решение

Поверхностный слой жидкости находится в растянутом напряжённом состоянии из-за особенностей действия сил межмолекулярного притяжения на границе раздела фаз (например, на границе жидкости и газа). Это явление называется поверхностным натяжением.

Рассмотрим силы, действующие на молекулы в двух разных положениях:

1. Молекула внутри жидкости. На любую молекулу, расположенную в объёме жидкости, со всех сторон действуют силы притяжения от окружающих её соседних молекул. В среднем эти силы полностью компенсируют друг друга, и их равнодействующая равна нулю. Поэтому такая молекула находится в состоянии устойчивого равновесия.

2. Молекула на поверхности жидкости. Молекула, находящаяся в поверхностном слое, окружена другими молекулами жидкости только изнутри (снизу и с боков). Силы притяжения со стороны молекул газа или пара над поверхностью значительно слабее. В результате этого на каждую поверхностную молекулу действует нескомпенсированная результирующая сила, направленная внутрь объёма жидкости и перпендикулярная её поверхности.

Эта направленная внутрь сила стремится "втянуть" молекулы с поверхности вглубь жидкости. Это приводит к двум важным следствиям:

Во-первых, под действием этих сил жидкость стремится принять форму с минимально возможной площадью поверхности при заданном объёме. Именно поэтому небольшие капли жидкости в условиях, где сила тяжести незначительна (например, в невесомости), принимают идеальную сферическую форму, так как сфера обладает наименьшей площадью поверхности среди всех тел с одинаковым объёмом.

Во-вторых, для того чтобы переместить молекулу из глубины жидкости на её поверхность, необходимо совершить работу против сил межмолекулярного притяжения, которые тянут её обратно. Эта работа преобразуется в дополнительную потенциальную энергию молекул поверхностного слоя. Эту избыточную энергию называют поверхностной энергией ($E_п$). Любая физическая система стремится к состоянию с минимальной потенциальной энергией, что для жидкости означает стремление к сокращению площади своей поверхности.

Таким образом, поверхностный слой жидкости ведёт себя как упругая, постоянно натянутая плёнка, стремящаяся сократиться. Это "растянутое напряжённое состояние" и есть проявление сил поверхностного натяжения.

Ответ: Поверхностный слой жидкости находится в растянутом напряжённом состоянии из-за того, что на молекулы на поверхности действует нескомпенсированная результирующая сила межмолекулярного притяжения, направленная внутрь жидкости. Это заставляет жидкость стремиться к сокращению площади своей свободной поверхности, что макроскопически проявляется как натяжение, подобное натяжению упругой плёнки.