Номер 2, страница 313 - гдз по физике 10 класс учебник Касьянов

Вопросы. Параграф 66. Смачивание, капиллярность. 11. Жидкость и пар. Молекулярная физика - номер 2, страница 313.

Условие.

2. Опишите явление капиллярности. Почему смачивающая жидкость образует в капиллярах вогнутый мениск, а несмачивающая — выпуклый?

Решение.

Решение

Описание явления капиллярности
Капиллярность, или капиллярный эффект, — это явление подъема или опускания жидкости в узких трубках (капиллярах), пористых телах или узких щелях. Это явление обусловлено взаимодействием молекулярных сил: сил сцепления между молекулами самой жидкости (когезия) и сил сцепления между молекулами жидкости и молекулами твердого тела, с которым она контактирует (адгезия). Также важную роль играет поверхностное натяжение жидкости, которое стремится минимизировать площадь ее свободной поверхности.
Если силы адгезии (притяжение жидкости к стенкам капилляра) оказываются сильнее сил когезии (взаимное притяжение молекул жидкости), то жидкость поднимается по капилляру выше уровня в основном сосуде. Такую жидкость называют смачивающей. Примером может служить вода в стеклянной трубке.
Если же силы когезии преобладают над силами адгезии, то уровень жидкости в капилляре опускается ниже уровня в сосуде. Такую жидкость называют несмачивающей. Пример — ртуть в стеклянной трубке.
Высота подъема или опускания жидкости в капилляре определяется формулой Жюрена:
$h = \frac{2\sigma \cos\theta}{\rho g r}$,
где $h$ — высота подъема или опускания жидкости, $\sigma$ — коэффициент поверхностного натяжения жидкости, $\theta$ — краевой угол смачивания, $\rho$ — плотность жидкости, $g$ — ускорение свободного падения, а $r$ — радиус капилляра.

Ответ: Капиллярность — это изменение уровня жидкости в узких каналах (капиллярах) под действием сил поверхностного натяжения, вызванное балансом сил притяжения между молекулами жидкости и сил притяжения между молекулами жидкости и стенками канала.

Причина образования вогнутого и выпуклого менисков
Форма свободной поверхности жидкости в капилляре, называемая мениском, также зависит от соотношения сил адгезии и когезии.
У смачивающей жидкости (например, вода в стекле) силы притяжения молекул жидкости к стенкам капилляра (адгезия) больше, чем силы притяжения молекул жидкости друг к другу (когезия). В результате жидкость «прилипает» к стенкам и «подтягивается» вверх по ним. Поверхностное натяжение стремится сократить площадь поверхности, что при «подтянутых» краях приводит к образованию вогнутой (впалой) поверхности. Краевой угол смачивания $\theta$ для таких жидкостей острый ($0^\circ \le \theta < 90^\circ$).
У несмачивающей жидкости (например, ртуть в стекле) силы взаимного притяжения молекул жидкости (когезия) значительно превосходят силы их притяжения к стенкам капилляра (адгезия). Молекулы жидкости сильнее притягиваются друг к другу, чем к стенкам, и жидкость стремится принять форму с минимальной поверхностью (близкую к сферической), отталкиваясь от стенок. Это приводит к тому, что уровень жидкости у стенок оказывается ниже, чем в центре, формируя выпуклую поверхность. Краевой угол смачивания $\theta$ для несмачивающих жидкостей тупой ($90^\circ < \theta \le 180^\circ$).

Ответ: Смачивающая жидкость образует вогнутый мениск, так как силы притяжения к стенкам капилляра сильнее сил сцепления внутри жидкости, заставляя жидкость «ползти» вверх по стенкам. Несмачивающая жидкость образует выпуклый мениск, так как силы сцепления внутри жидкости преобладают над силами притяжения к стенкам, и жидкость стремится минимизировать контакт со стенками и площадь своей поверхности.