ГДЗ по физике, 10 класс, Мякишев, номер p254.3: Смачивание. Капилляры. Мениск

План решения:

Чтобы ответить на вопрос о том, как сделать так, чтобы жидкость не смачивала поверхность твёрдого тела, необходимо обратиться к молекулярной физике и понятию сил межмолекулярного взаимодействия. Смачивание определяется соотношением сил сцепления между молекулами жидкости (когезия) и силами прилипания молекул жидкости к молекулам твёрдого тела (адгезия). Если адгезия меньше когезии, жидкость собирается в капли и не смачивает поверхность. Следовательно, воздействие должно быть направлено на изменение свойств поверхности или самой жидкости таким образом, чтобы силы притяжения между ними ослабли.

Вычисление и обоснование:

Существует несколько способов достичь несмачивания:

• Химическая обработка поверхности. Можно нанести на тело слой вещества, молекулы которого слабо взаимодействуют с молекулами данной жидкости. Классическим примером является покрытие поверхности парафином, воском или жиром. Молекулы этих веществ имеют длинные углеводородные цепи, которые создают «эффект лотоса» для воды: вода образует шарообразные капли, так как силы притяжения между молекулами воды значительно сильнее, чем между водой и парафином.
• Изменение температуры. В некоторых случаях повышение температуры может изменить баланс сил поверхностного натяжения и адгезии, хотя этот метод менее универсален и зависит от конкретных веществ.
• Нанесение гидрофобных покрытий. Современные технологии позволяют создавать наноструктурированные поверхности (например, тефлоновые покрытия), где микрорельеф усиливает эффект несмачивания за счёт захвата воздуха под каплей.

Таким образом, ключевым фактором является снижение энергии связи на границе раздела фаз «жидкость — твёрдое тело» относительно энергии связи внутри самой жидкости.

Проверка ответа:

Проверим логику на бытовом примере. Если мы возьмём чистое стекло, вода будет растекаться по нему тонкой плёнкой (смачивание), так как стекло имеет высокую поверхностную энергию и хорошо взаимодействует с водой. Если же мы натрём это стекло парафином или жиром, вода перестанет растекаться и соберётся в капли. Это подтверждает, что нанесение слоя вещества со слабым взаимодействием с жидкостью (или создание такой поверхности) приводит к эффекту несмачивания. Угол контакта при этом становится тупым (θ>90^°).