Номер 5, страница 22 - гдз по физике 8 класс учебник Пурышева, Важеевская

Глава 1. Первоначальные сведения о строении вещества. Параграф 6. Смачивание. Капиллярные явления. Вопросы для самопроверки - номер 5, страница 22.

Условие.

5. Объясните, почему вода поднимается по капиллярам, а ртуть – опускается.

Решение.

Явления подъема или опускания жидкости в узких трубках (капиллярах) объясняются взаимодействием сил сцепления между молекулами самой жидкости (когезионные силы) и сил сцепления между молекулами жидкости и стенками капилляра (адгезионные силы). Результат этого взаимодействия определяет, будет ли жидкость смачивать поверхность капилляра.

1. Вода в стеклянном капилляре.
Молекулы воды сильнее притягиваются к молекулам стекла (кремнезема), чем друг к другу. Это означает, что силы адгезии (вода-стекло) преобладают над силами когезии (вода-вода). Из-за этого вода "прилипает" к стенкам капилляра и стремится подняться по ним. Поверхность воды у стенок изгибается вверх, образуя вогнутый мениск. Явление, при котором жидкость хорошо притягивается к твердой поверхности, называется смачиванием. Краевой угол смачивания для воды на стекле острый ($ \theta < 90^\circ $). Силы поверхностного натяжения, действующие по краю мениска, создают равнодействующую, направленную вверх, которая и поднимает столб жидкости до тех пор, пока не уравновесится силой тяжести этого столба.

2. Ртуть в стеклянном капилляре.
В случае ртути ситуация обратная. Силы сцепления между атомами ртути (сильные металлические связи) значительно превосходят силы притяжения между атомами ртути и молекулами стекла. То есть, силы когезии (ртуть-ртуть) сильнее сил адгезии (ртуть-стекло). В результате ртуть стремится минимизировать свой контакт со стенками капилляра и собирается в каплю. Это явление называется несмачиванием. Поверхность ртути в капилляре образует выпуклый мениск, а краевой угол смачивания тупой ($ \theta > 90^\circ $). Силы поверхностного натяжения создают равнодействующую, направленную вниз, которая опускает уровень жидкости в капилляре ниже уровня в основном сосуде.

Высоту подъема ($\text{h}$) жидкости в капилляре можно описать формулой Жюрена:$h = \frac{2\sigma\cos\theta}{\rho g r}$где $ \sigma $ – коэффициент поверхностного натяжения, $ \theta $ – краевой угол смачивания, $ \rho $ – плотность жидкости, $ g $ – ускорение свободного падения, $ r $ – радиус капилляра.

Для смачивающих жидкостей (как вода) $ \theta < 90^\circ $, поэтому $ \cos\theta > 0 $ и $ h > 0 $ (жидкость поднимается).Для несмачивающих жидкостей (как ртуть) $ \theta > 90^\circ $, поэтому $ \cos\theta < 0 $ и $ h < 0 $ (жидкость опускается).

Ответ: Вода поднимается по капиллярам, потому что силы притяжения между молекулами воды и стенками капилляра (адгезия) сильнее, чем силы притяжения между самими молекулами воды (когезия), что приводит к смачиванию. Ртуть опускается, так как силы притяжения между ее атомами (когезия) значительно превосходят силы притяжения к стенкам капилляра (адгезия), что приводит к несмачиванию.