Номер 4, 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 4, страница 270.

Условие.

4. Что называют: а) поверхностной энергией; б) коэффициентом поверхностного натяжения жидкости; в) силой поверхностного натяжения?

Решение.

а) поверхностной энергией

Молекулы, находящиеся в поверхностном слое жидкости, в отличие от молекул внутри объема, не со всех сторон окружены другими молекулами той же жидкости. В результате этого равнодействующая сил межмолекулярного притяжения, действующая на каждую молекулу поверхностного слоя, направлена внутрь жидкости. Для перемещения молекулы из глубины жидкости в поверхностный слой необходимо совершить работу против этих сил. Эта работа идет на увеличение потенциальной энергии молекул поверхностного слоя. Таким образом, молекулы поверхностного слоя обладают избыточной потенциальной энергией по сравнению с молекулами внутри объема. Эта избыточная энергия и называется поверхностной энергией.

Поверхностная энергия $E_п$ прямо пропорциональна площади свободной поверхности жидкости $\text{S}$: $E_п = \sigma S$, где $\sigma$ – коэффициент поверхностного натяжения.

Ответ: Поверхностная энергия — это избыточная потенциальная энергия, которой обладают молекулы поверхностного слоя жидкости по сравнению с молекулами, находящимися в ее объеме.

б) коэффициентом поверхностного натяжения жидкости

Коэффициент поверхностного натяжения (обозначается $\sigma$) — это физическая величина, которая характеризует данную жидкость и определяет меру поверхностного натяжения. Его можно определить двумя эквивалентными способами:

1. С энергетической точки зрения, это поверхностная энергия, приходящаяся на единицу площади свободной поверхности жидкости: $\sigma = \frac{E_п}{S}$. Единица измерения в СИ — джоуль на квадратный метр ($Дж/м^2$).

2. С силовой точки зрения, это сила поверхностного натяжения, действующая на единицу длины контура, ограничивающего поверхность жидкости: $\sigma = \frac{F}{L}$. Единица измерения в СИ — ньютон на метр ($Н/м$).

Эти единицы измерения эквивалентны: $1 \frac{Дж}{м^2} = 1 \frac{Н \cdot м}{м^2} = 1 \frac{Н}{м}$. Коэффициент поверхностного натяжения зависит от природы жидкости, температуры (уменьшается с ростом температуры) и свойств среды, с которой граничит жидкость.

Ответ: Коэффициент поверхностного натяжения — это физическая величина, численно равная либо работе, необходимой для увеличения площади свободной поверхности жидкости на единицу при постоянной температуре, либо силе поверхностного натяжения, действующей на единицу длины границы свободной поверхности жидкости.

в) силой поверхностного натяжения

Сила поверхностного натяжения — это сила, которая возникает в поверхностном слое жидкости на границе с другой средой (например, газом) и стремится сократить площадь этой поверхности до минимума при заданном объеме. Возникновение этой силы обусловлено тем, что молекулы в поверхностном слое притягиваются к молекулам внутри жидкости сильнее, чем к молекулам газа над поверхностью, что создает результирующую силу, направленную внутрь жидкости и действующую вдоль ее поверхности.

Величина силы поверхностного натяжения $\text{F}$ рассчитывается по формуле: $F = \sigma L$, где $\sigma$ — коэффициент поверхностного натяжения, а $\text{L}$ — длина контура, ограничивающего поверхность.

Ответ: Сила поверхностного натяжения — это сила, действующая вдоль поверхности жидкости, перпендикулярно линии, ограничивающей эту поверхность, и стремящаяся сократить ее площадь.

5. Вектор силы поверхностного натяжения всегда направлен по касательной (тангенциально) к поверхности жидкости. Кроме того, он перпендикулярен участку контура, на который действует, и направлен в сторону сокращения поверхности.

Например, для мыльной пленки, натянутой на проволочную рамку, сила поверхностного натяжения действует на каждую сторону рамки перпендикулярно ей и в плоскости пленки, стремясь стянуть пленку.

Ответ: Вектор силы поверхностного натяжения направлен по касательной к поверхности жидкости, перпендикулярно линии ее границы и в сторону сокращения поверхности.