Видеоучебник / Физика / Решение задач по основам МКТ, оптике и квантовой физике / Поверхностная энергия. Поверхностное натяжение. Смачивание

Поверхностная энергия. Поверхностное натяжение. Смачивание

Урок 13. Решение задач по основам МКТ, оптике и квантовой физике

Наиболее характерным свойством жидкости, отличающим ее от газа, является то, что на границе с газом жидкость образует свободную поверхность, наличие которой приводит к возникновению явлений особого рода, называемых поверхностными. Своим возникновением они обязаны особым физическим условиям, в которых находятся молекулы вблизи свободной поверхности. На сегодняшнем занятии мы с вами рассмотрим некоторые общие принципы решения задач на расчет поверхностной энергии и сил поверхностного натяжения жидкостей.

Конспект урока "Поверхностная энергия. Поверхностное натяжение. Смачивание"

Данная тема посвящена решению задач на поверхностную энергия, поверхностное натяжение и смачивание

Данная тема посвящена решению задач на поверхностную энергия, поверхностное натяжение и смачивание.

Задача 1. Каким должен быть диаметр трубки ртутного барометра, чтобы поправка, вносимая в его показания с учетом капиллярного опускания ртути, была равна 3 мм? Коэффициент поверхностного натяжения ртути равен 500 мН/м, а ее плотность 13600 кг/м3.

ДАНО:

СИ

РЕШЕНИЕ

Жидкость в капилляре цилиндрической формы поднимается или опускается на такую высоту, при которой сила гидростатического давления столба жидкости уравновешивается силой избыточного давления

Ответ: диаметр трубки ртутного барометра должен быть равен 5 мм.

Задача 2. Какую работу необходимо совершить против сил поверхностного натяжения, чтобы выдуть мыльный пузырь диаметром 4 см, если коэффициент поверхностного натяжения мыльной воды равен 43 мН/м?

ДАНО:

СИ

РЕШЕНИЕ

Работа сил поверхностного натяжения жидкости при изменении ее площади поверхности:

Площадь поверхности пузыря:

Ответ: чтобы надуть мыльный пузырь нужно совершить работу в 430 мкДж.

Задача 3. Спирт по каплям вытекает из сосуда через вертикальную трубку с внутренним диаметром 2 мм. Считая, что капли отрываются через 1 с одна после другой, найти, через какое время вытечет 10 г спирта. Считать диаметр шейки капли в момент отрыва равным внутреннему диаметру трубки, а коэффициент поверхностного натяжения спирта 20 мН/м.

ДАНО:

СИ

РЕШЕНИЕ

По условию задачи капли отрываются через одинаковый промежуток времени одна после другой, то весь спирт вытечет за время

где N — это общее число капель спирта, содержащихся в его десяти граммах.

Число капель можно определить, как отношение общей массы спирта и массы одной капли

Коэффициент поверхностного натяжения определяется отношением силы поверхностного натяжения и длины границы поверхности жидкости

Сила поверхностного натяжения

Чтобы капля спирта смогла оторваться от трубки, действующая на нее сила тяжести в момент отрыва должна разорвать поверхностную пленку по длине границы поверхности капли

Сила тяжести капли должна быть не менее силы поверхностного натяжения, то есть в предельном случае должна быть ей равна

Тогда масса одной капли

Число капель спирта

Тогда время вытекания спирта

Ответ: через 13 мин.

Задача 4. На сколько градусов нагреется капля ртути, полученная от слияния двух капель радиусом 1 мм каждая, если коэффициент поверхностного натяжения ртути равен 500 мН/м, а ее плотность 13600 кг/м³?

ДАНО:

СИ

РЕШЕНИЕ

Слияние двух капель ртути в одну влечет за собой изменение внутренней (поверхностной) энергии

Изменение площадки поверхности

Радиус большой капли

Тогда изменение площадки поверхности

Изменение внутренней (поверхностной) энергии

Так как масса большой капли

Приравняем два уравнения из системы уравнений

Тогда изменение температуры

Ответ: ртуть нагреется на 110 мкК.

Задача 5. Металлическое кольцо, внешний диаметр которого 54 мм, а внутренний 50 мм, подвесили горизонтально на пружине жесткостью 1 Н/м. При этом пружина удлинилась на 15 мм. Затем кольцо привели в соприкосновение с поверхностью жидкости и стали медленно опускать сосуд с жидкостью. В момент отрыва от нее кольца удлинение пружины 40 мм. Определить коэффициент поверхностного натяжения жидкости.

ДАНО:

РЕШЕНИЕ

Так как до соприкосновения с жидкостью система находится в равновесии, то сила тяжести кольца уравновешивалась силой упругости пружины

При отрыве кольца от поверхности жидкости, на него действуют направленная вертикально вверх сила упругости, а также сила тяжести и сила поверхностного натяжения, которые направлены вертикально вниз