Решение: Масса капель при остывании
Статья к заданиюПоверхностное натяжение
Прочитайте текст и выполните задания.
Поверхностное натяжение
Согласно условиям плавания тело тонет в жидкости, если средняя плотность этого тела больше плотности жидкости. Так, металлическая скрепка должна утонуть в воде (плотность металла больше плотности воды). Однако если скрепку осторожно поместить на водную поверхность (рисунок 1), то она не тонет. Поверхность воды работает как некая упругая плёнка.
Рисунок 1
Объясняется этот опыт следующим образом. Молекулы воды на глубине окружены соседними молекулами со всех сторон. На поверхности же молекулы воды притягиваются к соседним только сбоку и снизу.
В результате возникают силы, заставляющие поверхность воды сжиматься. Именно поверхностное натяжение служит причиной образования капель почти сферической формы, поскольку наименьшую площадь поверхности при неизменном объёме имеет шар.
Поверхностное натяжение в жидкости характеризуется коэффициентом поверхностного натяжения (сила поверхностного натяжения пропорциональна коэффициенту поверхностного натяжения). Коэффициент зависит от природы жидкости, а также от её температуры.
Значения коэффициента поверхностного натяжения для некоторых жидкостей представлены в таблице.
| Жидкость | Температура, °С | Коэффициент поверхностного натяжения, мН/м |
| Вода | 0 | 76 |
| Вода | 20 | 73 |
| Вода | 50 | 68 |
| Вода | 100 | 59 |
| Керосин | 0 | 29 |
| Керосин | 20 | 24 |
| Мыльный раствор | 20 | 40 |
| Ртуть | 20 | 472 |
Сила поверхностного натяжения жидкости, направленная по касательной к поверхности жидкости в районе «шейки» капли, влияет на массу капли, которая отрывается от отверстия крана. По мере увеличения капли сила тяжести, действующая на неё, растёт, и в тот момент, когда она превышает уравновешивающую её силу поверхностного натяжения, капля отрывается.
Будет ли изменяться, и если будет, то как, масса капель воды, падающих из неплотно закрытого крана самовара, по мере остывания самовара? Прочие условия неизменны. Ответ поясните.
Ответ следует дать с опорой на общий текст «Поверхностное натяжение».
Решение по шагам
3 шагаСогласно общему тексту, коэффициент поверхностного натяжения жидкости зависит от её температуры. При остывании воды коэффициент поверхностного натяжения увеличивается.
Следовательно, при неизменных остальных условиях увеличивается сила поверхностного натяжения, удерживающая каплю у отверстия крана.
Для отрыва капли сила тяжести должна превысить силу поверхностного натяжения. Поэтому при более сильном удерживании капля должна накопить большую массу, чтобы её сила тяжести стала достаточной для отрыва.
По мере остывания самовара масса капель воды увеличивается: при понижении температуры коэффициент поверхностного натяжения и удерживающая сила возрастают, поэтому для отрыва капля должна стать тяжелее.
Этот ответ получен в разборе, но не сверен с официальным ключом из банка — проверьте выкладки, прежде чем заучивать результат.
Где здесь ошибаются
Указывать, что масса капель уменьшается при остывании.
Связывать изменение массы капли с плотностью воды, хотя в условии важна сила поверхностного натяжения.
Не объяснять, почему увеличение силы поверхностного натяжения приводит к увеличению массы отрывающейся капли.