Номер 3, страница 111 - гдз по физике 10 класс учебник Казахбаева, Кронгарт

3. Как объяснить капиллярные явления?

3. Как объяснить капиллярные явления?

Капиллярные явления — это подъём или опускание уровня жидкости в узких трубках (капиллярах), порах и узких щелях. Эти явления объясняются взаимодействием трёх факторов: сил сцепления (когезии) между молекулами самой жидкости, сил прилипания (адгезии) между молекулами жидкости и твёрдого тела (стенок капилляра), а также поверхностного натяжения жидкости.

В зависимости от соотношения сил адгезии и когезии жидкость может смачивать или не смачивать поверхность капилляра.

1. Смачивание (подъём жидкости).

Это происходит, когда силы адгезии (притяжение между жидкостью и стенками) сильнее сил когезии (притяжение между молекулами жидкости). Примером является вода в стеклянном капилляре.

• Жидкость "прилипает" к стенкам и подтягивается вверх по ним, образуя вогнутый мениск (поверхность жидкости искривлена вниз). Краевой угол смачивания $\theta$ в этом случае меньше $90^\circ$.
• Из-за вогнутой формы мениска, согласно формуле Лапласа, давление под ним ($P_{под}$) становится меньше, чем давление на уровне плоской поверхности жидкости снаружи капилляра ($P_{атм}$).
• Эта разность давлений заставляет жидкость подниматься вверх по капилляру.
• Подъём прекращается, когда гидростатическое давление поднявшегося столба жидкости уравновешивает капиллярное (лапласово) давление.

2. Несмачивание (опускание жидкости).

Это происходит, когда силы когезии преобладают над силами адгезии. Примером является ртуть в стеклянном капилляре.

• Молекулы жидкости сильнее притягиваются друг к другу, чем к стенкам, поэтому жидкость стремится сократить площадь контакта со стенками. Образуется выпуклый мениск (поверхность жидкости искривлена вверх). Краевой угол смачивания $\theta$ больше $90^\circ$.
• Давление под выпуклым мениском оказывается выше, чем давление в жидкости на той же высоте снаружи капилляра.
• Это избыточное давление "выдавливает" жидкость из капилляра, и её уровень в нём опускается ниже уровня жидкости в широком сосуде.

Высота подъёма (или глубина опускания) жидкости в капилляре описывается законом Жюрена:

$h = \frac{2\sigma \cos\theta}{\rho g r}$

где:

• $h$ — высота подъёма (положительная) или опускания (отрицательная) жидкости;
• $\sigma$ — коэффициент поверхностного натяжения;
• $\theta$ — краевой угол смачивания;
• $\rho$ — плотность жидкости;
• $g$ — ускорение свободного падения;
• $r$ — радиус капилляра.

Таким образом, капиллярные явления — это прямой результат баланса между силами молекулярного взаимодействия (адгезии и когезии) и силами поверхностного натяжения, которые создают разность давлений под искривлённой поверхностью жидкости.

Ответ: Капиллярные явления объясняются разницей в силах притяжения между молекулами жидкости (когезия) и молекулами жидкости и стенок капилляра (адгезия). Если адгезия больше когезии (смачивание), жидкость поднимается по капилляру из-за пониженного давления под вогнутым мениском. Если когезия больше адгезии (несмачивание), жидкость опускается из-за повышенного давления под выпуклым мениском. Высота подъёма или опускания определяется балансом между капиллярными силами и весом столба жидкости.