Номер 1, страница 157 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

1. Почему молекулы поверхностного слоя обладают большей потенциальной энергией, чем молекулы внутри жидкости?

1. Молекулы, находящиеся внутри жидкости, со всех сторон равномерно окружены другими такими же молекулами. Силы межмолекулярного притяжения, действующие на любую из этих молекул со стороны соседних, в среднем взаимно компенсируются, и их равнодействующая равна нулю.

В отличие от них, молекулы в поверхностном слое находятся в других условиях. С одной стороны (изнутри жидкости) на них действуют силы притяжения со стороны других молекул жидкости, а с другой стороны (снаружи) — значительно более слабые силы притяжения со стороны молекул газа или пара над поверхностью. Из-за этого возникает нескомпенсированная, результирующая сила, направленная вглубь жидкости перпендикулярно её поверхности. Эта сила стремится "втянуть" поверхностные молекулы обратно в объём.

Чтобы переместить молекулу из глубины жидкости на её поверхность, необходимо совершить работу против этой результирующей силы. Согласно закону сохранения энергии, эта работа не исчезает, а переходит в потенциальную энергию молекулы. Таким образом, молекулы в поверхностном слое обладают избыточной потенциальной энергией по сравнению с молекулами, находящимися в объёме жидкости. Этот избыток энергии и называется поверхностной энергией.

Ответ: Молекулы поверхностного слоя обладают большей потенциальной энергией, потому что для их вывода на поверхность из объёма жидкости необходимо совершить работу против сил межмолекулярного притяжения, которые не скомпенсированы и направлены внутрь жидкости. Эта работа запасается в виде избыточной потенциальной энергии поверхностных молекул.

2. Поверхностное натяжение — это явление, возникающее на границе раздела фаз, в частности на поверхности жидкости. Оно проявляется в том, что жидкость стремится минимизировать площадь своей свободной поверхности при заданном объёме. Это свойство напрямую связано с наличием у поверхностных молекул избыточной потенциальной энергии (поверхностной энергии). Так как любая физическая система стремится к состоянию с наименьшей возможной потенциальной энергией, жидкость самопроизвольно принимает форму, имеющую минимальную площадь поверхности (например, капли принимают сферическую форму).

Количественной мерой этого явления служит коэффициент поверхностного натяжения (часто его называют просто поверхностным натяжением) — физическая величина, обозначаемая буквой $\sigma$. Его можно определить двумя эквивалентными способами:

1. С энергетической точки зрения, коэффициент поверхностного натяжения — это работа, которую нужно совершить для создания единицы площади новой поверхности, или, что то же самое, избыточная потенциальная энергия, приходящаяся на единицу площади поверхности: $ \sigma = \frac{E_p}{S} $ Здесь $E_p$ — поверхностная энергия, $\text{S}$ — площадь поверхности. В системе СИ измеряется в джоулях на квадратный метр (Дж/м²).

2. С силовой точки зрения, поверхностное натяжение — это сила, действующая вдоль поверхности жидкости перпендикулярно к единице длины контура, ограничивающего эту поверхность. Эта сила стремится сократить данный контур. $ \sigma = \frac{F}{L} $ Здесь $\text{F}$ — сила поверхностного натяжения, $\text{L}$ — длина контура. В системе СИ измеряется в ньютонах на метр (Н/м). Единицы измерения Дж/м² и Н/м эквивалентны.

Ответ: Поверхностное натяжение — это физическая величина ($\sigma$), характеризующая стремление жидкости к сокращению площади своей поверхности. Она определяется либо как отношение избыточной поверхностной энергии к площади поверхности ($ \sigma = E_p / S $), либо как сила, действующая на единицу длины контура, ограничивающего эту поверхность ($ \sigma = F / L $).