Номер 3, страница 252, часть 1 - гдз по физике 10 класс учебник Кронгарт, Казахбаева

3. Как объяснить капиллярные явления?

Как объяснить капиллярные явления

Капиллярные явления — это подъем или опускание уровня жидкости в узких трубках (капиллярах), порах и узких щелях. Эти явления обусловлены взаимодействием сил сцепления между молекулами самой жидкости (когезия) и сил сцепления между молекулами жидкости и стенками капилляра (адгезия), а также силами поверхностного натяжения.

Объяснение можно разбить на несколько ключевых моментов:

1. Смачивание и несмачивание. Поведение жидкости в капилляре зависит от того, смачивает она стенки или нет.

• Смачивание происходит, когда силы адгезии (притяжение жидкости к стенкам) сильнее сил когезии (притяжение молекул жидкости друг к другу). В этом случае жидкость стремится "растечься" по поверхности. Угол $ \theta $ (краевой угол) между стенкой и поверхностью жидкости будет острым ($ \theta < 90o $). Примером является вода в стеклянном капилляре.

• Несмачивание происходит, когда силы когезии преобладают над силами адгезии. Жидкость стремится сохранить свою форму, минимизируя контакт со стенкой. Краевой угол будет тупым ($ \theta > 90o $). Пример — ртуть в стеклянном капилляре.

2. Форма мениска и лапласово давление. Из-за смачивания или несмачивания поверхность жидкости в капилляре искривляется, образуя мениск.

• В случае смачивания мениск вогнутый (вогнутая линза). Давление под такой искривленной поверхностью (лапласово давление) становится ниже, чем атмосферное давление на плоской поверхности жидкости вне капилляра.

• В случае несмачивания мениск выпуклый (выпуклая линза). Давление под такой поверхностью становится выше, чем атмосферное давление.

3. Подъем или опускание жидкости. Возникшая разница давлений является причиной движения жидкости.

• При смачивании (вогнутый мениск) более высокое внешнее атмосферное давление "заталкивает" жидкость вверх по капилляру. Жидкость поднимается до тех пор, пока сила тяжести поднявшегося столба жидкости не уравновесит силу, вызванную разностью давлений (которая, в свою очередь, обусловлена поверхностным натяжением).

• При несмачивании (выпуклый мениск) избыточное давление под мениском "выталкивает" жидкость вниз, и уровень жидкости в капилляре становится ниже уровня жидкости в широком сосуде.

Высота подъема (или глубина опускания) жидкости в капилляре $ h $ определяется формулой Жюрена: $ h = \frac{2\sigma \cos\theta}{\rho g r} $ где:

• $ \sigma $ — коэффициент поверхностного натяжения жидкости;

• $ \theta $ — краевой угол смачивания;

• $ \rho $ — плотность жидкости;

• $ g $ — ускорение свободного падения;

• $ r $ — радиус капилляра.

Из формулы видно, что высота подъема тем больше, чем уже капилляр.

Ответ: Капиллярные явления объясняются совокупным действием сил поверхностного натяжения и явлений смачивания/несмачивания. В зависимости от соотношения сил сцепления молекул жидкости между собой (когезия) и со стенками капилляра (адгезия), поверхность жидкости в капилляре (мениск) искривляется. Это создает разность давлений (лапласово давление) между жидкостью в капилляре и вне его, что приводит к подъему (в случае смачивания) или опусканию (в случае несмачивания) уровня жидкости.