Номер 2, страница 309 - гдз по физике 10 класс учебник Касьянов

Вопросы. Параграф 65. Поверхностное натяжение. 11. Жидкость и пар. Молекулярная физика - номер 2, страница 309.

Условие.

2. Почему площадь свободной поверхности жидкости минимальна?

Решение.

2. Решение

Площадь свободной поверхности жидкости стремится к минимуму из-за сил межмолекулярного взаимодействия, которые создают явление поверхностного натяжения. Молекулы внутри жидкости притягиваются соседними молекулами равномерно со всех сторон, и равнодействующая этих сил равна нулю. Молекулы же на поверхности жидкости испытывают притяжение только со стороны молекул, находящихся внутри жидкости и сбоку, а силы притяжения со стороны молекул газа (или пара) над поверхностью значительно слабее. В результате возникает равнодействующая сила, направленная вглубь жидкости. Эта сила стремится втянуть поверхностные молекулы внутрь, сокращая тем самым площадь поверхности.

С энергетической точки зрения, для перемещения молекулы из объема на поверхность нужно совершить работу против этих сил. Поэтому молекулы поверхностного слоя обладают избыточной потенциальной энергией, называемой поверхностной энергией. Любая физическая система стремится к состоянию с минимальной потенциальной энергией. Для жидкости это означает стремление к уменьшению числа молекул на поверхности, то есть к уменьшению площади своей свободной поверхности. Поверхностная энергия $E_п$ пропорциональна площади поверхности $S$: $E_п = \sigma S$, где $\sigma$ — коэффициент поверхностного натяжения. Минимизация энергии $E_п$ при постоянном объеме достигается за счет минимизации площади $S$. Именно поэтому свободные капли жидкости (например, в невесомости) принимают сферическую форму, так как сфера обладает наименьшей площадью поверхности для заданного объема.

Ответ: Площадь свободной поверхности жидкости минимальна из-за действия сил поверхностного натяжения. Эти силы возникают потому, что молекулы на поверхности обладают избыточной потенциальной энергией по сравнению с молекулами в объеме. Система стремится к минимуму потенциальной энергии, что достигается сокращением площади поверхности до минимально возможной при данном объеме.