Номер 3, страница 82 - гдз по физике 7 класс обучающая тетрадь Шабусов, Дубина

3. Секретные материалы. Пару слов о капиллярах.

Свойства сообщающихся сосудов справедливы только в том случае, если они достаточно широки: на уровень жидкости не влияет притяжение между молекулами жидкости и стенок сосуда. В противном случае, в дело вмешиваются так называемые капиллярные явления, которые вы будете изучать в 10-м классе.

3. Секретные материалы. Пару слов о капиллярах.

Закон сообщающихся сосудов гласит, что в открытых сообщающихся сосудах поверхности однородной жидкости устанавливаются на одном уровне, при условии, что давление над жидкостью во всех сосудах одинаково. Это справедливо, когда силами поверхностного натяжения и силами взаимодействия жидкости со стенками сосуда можно пренебречь.

Однако, как указано в тексте, это свойство справедливо только для достаточно широких сосудов. В очень узких трубках, называемых капиллярами (от лат. capillaris — волосяной), уровень жидкости может существенно отличаться от уровня в широком сосуде. Это явление называется капиллярностью или капиллярными явлениями.

Причиной капиллярных явлений являются силы межмолекулярного взаимодействия, а именно баланс между:

1. Силами сцепления (когезии) – силами притяжения между молекулами самой жидкости.

2. Силами прилипания (адгезии) – силами притяжения между молекулами жидкости и молекулами твердого тела (стенок сосуда).

В зависимости от соотношения этих сил, наблюдаются два основных эффекта:

Смачивание: Если силы прилипания молекул жидкости к стенкам сосуда больше сил сцепления между молекулами самой жидкости (например, вода и чистое стекло), жидкость как бы «расползается» по стенкам, стремясь увеличить площадь контакта. Поверхность жидкости в капилляре (мениск) становится вогнутой, а уровень жидкости внутри капилляра поднимается выше уровня в широком сосуде.

Несмачивание: Если силы сцепления между молекулами жидкости больше сил прилипания к стенкам (например, ртуть и стекло), молекулы жидкости сильнее притягиваются друг к другу, чем к стенкам. Поверхность жидкости в капилляре становится выпуклой, а уровень жидкости в капилляре опускается ниже уровня в широком сосуде.

Таким образом, в капиллярах на уровень жидкости влияет не только гидростатическое давление, но и дополнительное давление, создаваемое искривленной поверхностью жидкости из-за поверхностного натяжения. Это давление известно как давление Лапласа. Именно оно и вызывает подъем или опускание жидкости в капилляре, нарушая тем самым закон сообщающихся сосудов.

Высота подъема (или опускания) жидкости в капилляре $\text{h}$ может быть рассчитана по формуле Жюрена:

$h = \frac{2\sigma\cos\theta}{\rho g r}$

где:
$ \sigma $ – коэффициент поверхностного натяжения жидкости,
$ \theta $ – краевой угол смачивания (для полного смачивания $ \theta \approx 0 $, для полного несмачивания $ \theta \approx 180^\circ $),
$ \rho $ – плотность жидкости,
$\text{g}$ – ускорение свободного падения,
$\text{r}$ – радиус капилляра.

Из формулы видно, что высота $\text{h}$ обратно пропорциональна радиусу капилляра $\text{r}$. Поэтому в широких сосудах (с большим $\text{r}$) капиллярный эффект пренебрежимо мал, и закон сообщающихся сосудов выполняется с высокой точностью.

Ответ: Свойства сообщающихся сосудов, согласно которым однородная жидкость в них устанавливается на одном уровне, справедливы только для достаточно широких сосудов. В узких сосудах (капиллярах) на уровень жидкости начинают влиять силы межмолекулярного взаимодействия между жидкостью и стенками сосуда. Это приводит к так называемым капиллярным явлениям: в зависимости от того, смачивает или не смачивает жидкость материал капилляра, её уровень в нём будет соответственно выше или ниже, чем в широком сосуде. Таким образом, закон сообщающихся сосудов в капиллярах нарушается.