Номер 1, страница 252, часть 1 - гдз по физике 10 класс учебник Кронгарт, Казахбаева

1. Каков механизм смачивания или несмачивания жидкостью твердого тела?

1. Каков механизм смачивания или несмачивания жидкостью твердого тела?

Механизм смачивания или несмачивания твердого тела жидкостью определяется соотношением сил межмолекулярного взаимодействия, возникающих на границе трех сред: твердого тела, жидкости и газа (как правило, воздуха). Ключевую роль играют два типа сил: силы когезии (силы взаимного притяжения между молекулами самой жидкости) и силы адгезии (силы притяжения между молекулами жидкости и молекулами/атомами твердой поверхности). Силы когезии стремятся сократить поверхность жидкости, придавая ей сферическую форму, и обуславливают поверхностное натяжение.

Явление смачивания происходит, когда силы адгезии преобладают над силами когезии. В этом случае молекулам жидкости энергетически выгоднее контактировать с твердой поверхностью, чем с другими молекулами жидкости. В результате жидкость растекается по поверхности, увеличивая площадь контакта. Количественной мерой служит краевой угол $\theta$ — угол между поверхностью твердого тела и касательной к поверхности жидкости в точке их контакта. При смачивании этот угол является острым ($0^\circ \le \theta < 90^\circ$). Примером служит вода на чистом стекле.

Явление несмачивания наблюдается, когда силы когезии сильнее сил адгезии. В этом случае молекулы жидкости притягиваются друг к другу сильнее, чем к поверхности твердого тела. Жидкость стремится минимизировать контакт с поверхностью и собирается в капли. Краевой угол при несмачивании является тупым ($90^\circ < \theta \le 180^\circ$). Примером может служить вода на жирной поверхности или ртуть на стекле.

С точки зрения термодинамики, система стремится к минимуму свободной энергии. Равновесие капли на твердой поверхности описывается уравнением Юнга, которое связывает краевой угол $\theta$ с поверхностными натяжениями на границах раздела фаз: $\sigma_{тг}$ (твердое тело-газ), $\sigma_{тж}$ (твердое тело-жидкость) и $\sigma_{жг}$ (жидкость-газ).

$\sigma_{тг} = \sigma_{тж} + \sigma_{жг} \cos\theta$

Из этого уравнения следует, что $\cos\theta = \frac{\sigma_{тг} - \sigma_{тж}}{\sigma_{жг}}$. Если замена поверхности "твердое тело-газ" на "твердое тело-жидкость" энергетически выгодна ($\sigma_{тг} > \sigma_{тж}$), то $\cos\theta > 0$, угол $\theta$ острый, и наблюдается смачивание. В противном случае ($\sigma_{тг} < \sigma_{тж}$), $\cos\theta < 0$, угол $\theta$ тупой, и происходит несмачивание.

Ответ: Механизм смачивания или несмачивания заключается в конкуренции между силами притяжения молекул жидкости друг к другу (силы когезии) и силами притяжения молекул жидкости к поверхности твердого тела (силы адгезии). Если силы адгезии преобладают над силами когезии, жидкость растекается по поверхности (смачивание), а краевой угол $\theta$ острый ($\theta < 90^\circ$). Если силы когезии сильнее сил адгезии, жидкость собирается в капли, стремясь уменьшить площадь контакта с поверхностью (несмачивание), а краевой угол $\theta$ тупой ($\theta > 90^\circ$).