Эксперимент, страница 124 - гдз по физике 10 класс учебник Закирова, Аширов

Эксперимент

Исследуйте зависимость коэффициента поверхностного натяжения от температуры, рода жидкости и наличия примесей (рис. 133). Как изменится размер капли в момент отрыва при увеличении коэффициента поверхностного натяжения?

Рис. 133. Границей поверхностного слоя является длина внутренней окружности трубки

Исследуйте зависимость коэффициента поверхностного натяжения от температуры, рода жидкости и наличия примесей.

Коэффициент поверхностного натяжения ($\sigma$) — это физическая величина, характеризующая удельную энергию, необходимую для создания единицы площади поверхности жидкости. Его значение зависит от нескольких ключевых факторов:

1. Температура. С увеличением температуры жидкости возрастает кинетическая энергия ее молекул. Это приводит к тому, что межмолекулярные силы притяжения, ответственные за поверхностное натяжение, ослабевают. В результате коэффициент поверхностного натяжения уменьшается. При достижении критической температуры, когда исчезает различие между жидкостью и ее насыщенным паром, поверхностное натяжение становится равным нулю.

2. Род жидкости. Величина коэффициента поверхностного натяжения напрямую связана с природой и силой межмолекулярного взаимодействия в жидкости. У жидкостей с сильными связями между молекулами (например, у воды, где действуют водородные связи, или у ртути с ее металлическими связями) поверхностное натяжение высокое. У жидкостей со слабыми межмолекулярными силами (например, у спирта, эфира) коэффициент поверхностного натяжения значительно ниже.

3. Наличие примесей. Примеси могут как понижать, так и повышать поверхностное натяжение.
а) Поверхностно-активные вещества (ПАВ), такие как мыло, спирты, моющие средства, концентрируются на поверхности жидкости. Их молекулы ослабляют силы сцепления между молекулами основного вещества (например, воды), что приводит к существенному уменьшению коэффициента поверхностного натяжения.
б) Поверхностно-неактивные вещества, например, соли или сахар, растворенные в воде, обычно незначительно увеличивают поверхностное натяжение. Это связано с тем, что ионы или молекулы растворенного вещества взаимодействуют с молекулами воды сильнее, чем молекулы воды между собой, что приводит к некоторому укреплению поверхностного слоя.

Ответ: Коэффициент поверхностного натяжения уменьшается с ростом температуры; он зависит от рода жидкости (чем сильнее межмолекулярные связи, тем он выше); он уменьшается при добавлении поверхностно-активных веществ (например, мыла) и может незначительно увеличиваться при добавлении поверхностно-неактивных (например, соли).

Как изменится размер капли в момент отрыва при увеличении коэффициента поверхностного натяжения?

Решение

Рассмотрим каплю, висящую на конце трубки, как показано на рисунке 133. В момент перед отрывом капля находится в состоянии равновесия под действием двух основных сил: силы тяжести $F_T$, направленной вниз, и силы поверхностного натяжения $F_n$, удерживающей каплю и направленной вверх вдоль границы соприкосновения жидкости с трубкой.

Сила тяжести определяется массой капли $m$: $F_T = mg$, где $g$ — ускорение свободного падения.

Сила поверхностного натяжения вычисляется по формуле: $F_n = \sigma L$, где $\sigma$ — коэффициент поверхностного натяжения, а $L$ — длина границы поверхностного слоя. В данном случае это длина внутренней окружности трубки, $L = 2\pi r$, где $r$ — радиус трубки.

Отрыв капли происходит, когда сила тяжести становится равной максимальной силе поверхностного натяжения, которая способна ее удержать. Таким образом, в момент отрыва можно записать условие:

$F_T = F_n$

Подставим выражения для этих сил:

$mg = \sigma L$

Из этого соотношения мы можем выразить массу капли в момент отрыва:

$m = \frac{\sigma L}{g}$

Размер капли (ее объем $V$) напрямую связан с ее массой через плотность жидкости $\rho$ ($m=\rho V$). Из полученной формулы видно, что масса отрывающейся капли $m$ прямо пропорциональна коэффициенту поверхностного натяжения $\sigma$. Следовательно, если коэффициент поверхностного натяжения увеличится, то сила поверхностного натяжения сможет удержать каплю большей массы. Большая масса при неизменной плотности означает больший объем и, соответственно, больший размер капли.

Ответ: При увеличении коэффициента поверхностного натяжения размер капли в момент отрыва увеличится.