Номер 3, страница 274 - гдз по физике 10 класс учебник Хижнякова, Синявина

Молекулярная физика. Глава 10. Агрегатные состояния вещества. Фазовые переходы. Параграф 49. Смачивание. Капиллярные явления. Вопросы - номер 3, страница 274.

Условие.

3. Чем различаются мениски смачивающей и несмачивающей жидкости?

Решение.

3. Чем различаются мениски смачивающей и несмачивающей жидкости?

Мениск — это искривлённая поверхность жидкости на границе с твёрдым телом. Различие между менисками смачивающей и несмачивающей жидкости заключается в их форме, которая определяется соотношением сил молекулярного взаимодействия.

У смачивающей жидкости (например, вода в чистом стеклянном сосуде) мениск имеет вогнутую форму. Это происходит потому, что силы притяжения между молекулами жидкости и молекулами твёрдого тела (силы адгезии) сильнее, чем силы притяжения между самими молекулами жидкости (силы когезии). В результате жидкость "поднимается" по стенкам сосуда. Краевой угол смачивания $\theta$ в этом случае является острым, то есть $0^\circ \le \theta < 90^\circ$.

У несмачивающей жидкости (например, ртуть в стеклянном сосуде) мениск имеет выпуклую форму. В этом случае силы притяжения между молекулами жидкости (силы когезии) преобладают над силами притяжения между молекулами жидкости и твёрдого тела (силы адгезии). Жидкость стремится сократить площадь контакта со стенками и "отталкивается" от них. Краевой угол смачивания $\theta$ является тупым, то есть $90^\circ < \theta \le 180^\circ$.

Таким образом, главное различие — в форме мениска: вогнутый у смачивающей жидкости и выпуклый у несмачивающей.

Ответ: Мениск смачивающей жидкости имеет вогнутую форму, так как силы притяжения между жидкостью и стенками сосуда (адгезия) сильнее сил притяжения между молекулами самой жидкости (когезия). Мениск несмачивающей жидкости имеет выпуклую форму, так как силы когезии преобладают над силами адгезии.

4. В чём состоит причина капиллярных явлений?

Капиллярные явления — это подъём или опускание уровня жидкости в узких трубках, называемых капиллярами. Причиной этих явлений является совместное действие поверхностного натяжения жидкости и явления смачивания (или несмачивания) ею стенок капилляра.

Механизм возникновения капиллярного эффекта следующий. Во-первых, на границе жидкости со стенками капилляра из-за смачивания или несмачивания образуется искривлённая поверхность — мениск. Во-вторых, силы поверхностного натяжения создают под этой искривлённой поверхностью дополнительное давление, которое называют давлением Лапласа. Оно направлено в сторону центра кривизны поверхности и для сферической поверхности рассчитывается по формуле $\Delta p = \frac{2\sigma}{R}$, где $\sigma$ — коэффициент поверхностного натяжения, а $\text{R}$ — радиус кривизны мениска.

В случае смачивающей жидкости мениск вогнутый, и давление под ним оказывается ниже, чем давление на уровне плоской поверхности жидкости вне капилляра. Из-за этой разности давлений жидкость поднимается вверх по капилляру до тех пор, пока гидростатическое давление столба жидкости ($\rho g h$) не скомпенсирует лапласовское давление.

В случае несмачивающей жидкости мениск выпуклый, и давление под ним, наоборот, выше, чем снаружи. Этот избыток давления выталкивает жидкость из капилляра, и её уровень в нём опускается.

Ответ: Причина капиллярных явлений заключается в существовании дополнительного давления (давления Лапласа) под искривленной поверхностью жидкости (мениском), которое возникает из-за сил поверхностного натяжения. В зависимости от того, смачивает жидкость стенки капилляра или нет, мениск будет вогнутым или выпуклым, а создаваемое им давление — соответственно, пониженным или повышенным, что приводит к подъёму или опусканию жидкости в капилляре.