Номер 4, страница 157 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

4. Как связано поверхностное натяжение с избыточной потенциальной энергией молекул на поверхности жидкости?

4. Как связано поверхностное натяжение с избыточной потенциальной энергией молекул на поверхности жидкости?

Молекулы, находящиеся в объеме жидкости, со всех сторон равномерно окружены другими молекулами. Силы межмолекулярного притяжения, действующие на них, в среднем компенсируют друг друга, и их равнодействующая равна нулю. В отличие от них, молекулы в поверхностном слое испытывают нескомпенсированное притяжение. Со стороны других молекул жидкости на них действует сила, направленная внутрь объема, в то время как со стороны газа или пара над поверхностью притяжение значительно слабее. В результате появляется равнодействующая сила, направленная перпендикулярно поверхности вглубь жидкости.

Чтобы переместить молекулу из глубины жидкости на ее поверхность, необходимо совершить работу против этой равнодействующей силы. Эта работа приводит к увеличению потенциальной энергии молекулы. Следовательно, молекулы на поверхности жидкости обладают избыточной потенциальной энергией по сравнению с молекулами, находящимися внутри объема. Эта суммарная избыточная энергия всех молекул поверхностного слоя и называется поверхностной энергией $E_п$.

Поверхностная энергия прямо пропорциональна площади свободной поверхности жидкости $\text{S}$. Коэффициентом этой пропорциональности является поверхностное натяжение $\sigma$. Таким образом, их связь выражается формулой:

$E_п = \sigma \cdot S$

Из этой формулы следует, что поверхностное натяжение $\sigma$ можно определить как удельную поверхностную энергию, то есть избыточную потенциальную энергию, приходящуюся на единицу площади поверхности жидкости: $\sigma = \frac{E_п}{S}$.

Ответ: Поверхностное натяжение ($\sigma$) — это физическая величина, численно равная избыточной потенциальной энергии ($E_п$), которой обладают молекулы поверхностного слоя жидкости, в расчете на единицу площади ($\text{S}$) ее поверхности. Эта связь определяется формулой $E_п = \sigma \cdot S$.

5. Какую форму принимает жидкость в условиях невесомости?

Согласно общему физическому принципу, любая система стремится перейти в состояние с минимальной потенциальной энергией. Для жидкости, как было установлено ранее, существует поверхностная энергия, пропорциональная площади ее поверхности. Силы поверхностного натяжения стремятся сократить эту площадь до минимума.

В обычных земных условиях на форму жидкости, помимо поверхностного натяжения, значительно влияет сила тяжести, которая заставляет жидкость принимать форму сосуда или растекаться по горизонтальной поверхности. В условиях невесомости (например, на борту космической станции) действие силы тяжести отсутствует.

При отсутствии внешних сил (включая гравитацию) единственной силой, определяющей форму свободного объема жидкости, становится сила поверхностного натяжения. Стремление системы к минимуму потенциальной энергии в данном случае означает стремление к минимуму площади поверхности при заданном объеме. Из всех трехмерных фигур шар обладает наименьшей площадью поверхности при одинаковом объеме. Поэтому жидкость, предоставленная самой себе в условиях невесомости, принимает сферическую форму.

Ответ: В условиях невесомости, из-за действия сил поверхностного натяжения и отсутствия силы тяжести, жидкость принимает форму шара, так как сферическая форма имеет минимальную площадь поверхности при заданном объеме, что соответствует состоянию с наименьшей поверхностной энергией.