Природа сил поверхностного натяжения

[dimboz-3]

Если говорить о результирующей силе, то она либо есть, либо её нет.

[Dmitriy40]

Сила есть. А перемещения (и работы и изменения потенциальной энергии) - нет. Потому что сила поверхностного натяжения уравновешена другой силой - давления жидкости. А когда не уравновешена - тогда и есть изменение формы поверхности.

[dimboz-3]

Так если сила есть, то это притяжение или отталкивание? И давление жидкости случаем обусловлено не силами межмолекулярного взаимодействия?

[Dmitriy40]

dimboz-3
А силы межмолекулярного взаимодействия - притяжения или отталкивания по Вашему? И почему? Вам именно про это намекали выше, что не так всё однозначно с ними.
Давление обусловлено ими конечно же.

[rockclimber]

dimboz-3 в сообщении #1141392 писал(а):

Я сознательно написал бред про кирпич

В смысле - "бред про кирпич"? Про кирпич-то у вас правильно написано - он падал бы и до поверхности земли, и дальше, если бы ему ничего не мешало - а так он лежит на крыше, и крыша его не пускает дальше вниз (те самые нюансы, о которых вы писали, - если вы, конечно, их имели в виду).
А вот где у вас бред - это дальше про каплю, которая должна остыть до абсолютного нуля. Она бы остыла (подобно кирпичу, падающему к центру Земли), но ей не дают остыть теплые тела вокруг (та же тепловая "крыша", на которой лежит "кирпич"). И даже в глубоком космосе далеко от всех тел каплю будет греть реликтовое излучение.

dimboz-3 в сообщении #1141392 писал(а):

Если представить себе, что силы поверхностного натяжение существуют, как данность, то из их существования следует наличие давления, создаваемого поверхностным слоем под изогнутой поверхностью.

Вы не поверите, но это давление существует И в учебниках даже встречаются задачи по его расчету (например, рассчитать диаметр пузырька воздуха заданной массы в толще жидкости).

[warlock66613]

rockclimber в сообщении #1141436 писал(а):

Она бы остыла (подобно кирпичу, падающему к центру Земли), но ей не дают остыть теплые тела вокруг

С чего бы это она остыла? Как раз если её хорошо изолировать от окружения, она не будет остывать. И уж тем более она остыла бы вовсе не потому, что «тела стремятся к минимуму энергии».

[druggist]

dimboz-3 в сообщении #1141392 писал(а):

Почему-то второй пункт никто не прокомментировал, хотя он самый важный. Ещё раз переформулирую. Если представить себе, что силы поверхностного натяжение существуют, как данность, то из их существования следует наличие давления, создаваемого поверхностным слоем под изогнутой поверхностью. В случае капли жидкости, внешние слои будут давить на внутренние, а внутренние отталкивать внешние, что противоречит школьному подходу, согласно которому внутренние слои притягивают внешние.

"Давление, создаваемое поверхностным слоем под изогнутой поверхностью" это лапласово давление $p=2\sigma/R$, где $R$ - радиус кривизны поверхности. Для плоской поверхности $R=0$ и никакого давления под поверхностью нет. Да, нескомпенсированные направленные внутрь силы, действующие на поверхностные атомы есть, а изменения давления - нет, поскольку амплитуда и частота тепловых колебаний атомов поверхностного слоя также отличаются от объемных. В идеальном газе, к примеру, давление возникает целиком за счет ударов тепловых атомов о стенку, а силы взаимодействия между атомами отсутствуют

[Geen]

druggist в сообщении #1141449 писал(а):

поскольку амплитуда и частота тепловых колебаний атомов поверхностного слоя также отличаются от объемных.

А это откуда? И зачем?...

druggist в сообщении #1141449 писал(а):

В идеальном газе, к примеру, давление возникает целиком за счет ударов тепловых атомов о стенку, а силы взаимодействия между атомами отсутствуют

Нет. Иначе бы он не мог быть в "состоянии термодинамического равновесия". Вообще.

[SomePupil]

dimboz-3 в сообщении #1141316 писал(а):

Если следовать логике стремления любой системы к минимуму энергии, то любая жидкость должна замерзнуть, и желательно до абсолютного нуля

На школьном уровне: системы стремятся не к минимуму энергии, а к минимуму потенциальной энергии. Тут же мы имеем дело с кинетической энергией.

dimboz-3 в сообщении #1141316 писал(а):

А атмосфера земли должна упасть на землю.

А вот тут надо учитывать вклад электрических сил притяжения/отталкивания в общую сумму потенциальной энергии тела. Минимумы смещаются. Атмосфера по-честному пытается упасть, но пружинит.

dimboz-3 в сообщении #1141316 писал(а):

Рассмотрим шарик воды, малого размера. Поверхностное натяжение приводит к образованию повышенного давление внутри жидкости. Следовательно внешний слой давит на внутренний, а внутренний отталкивает внешний. А в исходной модели все наоборот.

Вспоминайте механику. Шарик воды $-$ если он уже шарик $-$ не движется, следовательно равнодействующая сил, действующих на любой участок воды $-$ равна нулю. В дошаровом же состоянии в воде преобладают те силы, которые стремятся к шаровости.

dimboz-3 в сообщении #1141392 писал(а):

Я сознательно написал бред про кирпич

dimboz-3 в сообщении #1141316 писал(а):

Например минимум потенциальной энергии кирпича, лежащего на крыше здания, находится на поверхности земли, а лучше в её центре. Однако это совсем не означает, что кирпич, свободно лежащий на крыше, просто так с неё упадет. Есть нюансы.

Пытаясь сознательно написать бред, Вы бессознательно написали очень даже разумную вещь.

[druggist]

Geen в сообщении #1141545 писал(а):

А это откуда? И зачем?...

ТС утверждает, что, если поверхностные атомы притягиваются нижележащим слоем, то под плоской поверхностью должно быть уменьшение давления по сравнению с давлением в объеме (если я правильно понял ТС)

Geen в сообщении #1141545 писал(а):

Нет. Иначе бы он не мог быть в "состоянии термодинамического равновесия". Вообще.

Не нет, а да Включение слабого взаимодействия(например в ван-дер-ваальсовском газе) приводит к понижению давления. Столкновения молекул в идеальном газе, необходимые для установления тд равновесия это не взаимодействие на расстоянии, поскольку в ид. газе у молекул нет размеров

[rockclimber]

warlock66613 в сообщении #1141437 писал(а):

rockclimber в сообщении #1141436 писал(а):

Она бы остыла (подобно кирпичу, падающему к центру Земли), но ей не дают остыть теплые тела вокруг

С чего бы это она остыла?

Ээээ... Ну за счет теплового излучения... Разве нет?

[warlock66613]

rockclimber в сообщении #1141601 писал(а):

Ээээ... Ну за счет теплового излучения... Разве нет?

Ну это же не обязательно. Тело может находится в равновесии с излучением.

[rockclimber]

А, ну так я так и сказал. Капля бы остыла, если бы была совсем сама по себе (одна капля в абсолютно пустой вселенной), но она же постоянно окружена чем-то теплым, и поэтому не остывает.

[warlock66613]

rockclimber в сообщении #1141611 писал(а):

А, ну так я так и сказал. Капля бы остыла, если бы была совсем сама по себе (одна капля в абсолютно пустой вселенной), но она же постоянно окружена чем-то теплым, и поэтому не остывает.

Хорошо, согласен, капля бы остыла (мне всё ещё не нравится это утверждение, но оно, видимо, правильное). Но не из-за стремления к минимому энергии.

[dimboz-3]

Согласен насчет замечаний по поводу кирпича. Получился не совсем бред. Если добавить принцип локального минимума потенциальной энергии будет вполне неплохо. Хороший вопрос, почему для кирпича принцип минимума потенциальной энергии звучит гораздо лучше, чем для атмосферы. Каплю воды, которая должна замерзнуть отметаем временно, так как там кинетическая энергия. Если смотреть чуть строже, то не только. Вода - это не газ, какая-то потенциальная энергия присутствует. Но проблему это не меняет. Возможно все дело в том, что кирпич знаком с диссипативными силами. Если на время убрать земную поверхность. Т.е. сделать из кирпича спутник земли, то минимум потенциальной энергии звучит неуместно. Если уж рассуждать про минимумы, то скорее нужно обращаться к действиям. А если поставить вопрос так, для каких систем минимум потенциальной энергии справедлив, то моего понимания физики не хватает, чтобы сходу на него ответить.

Что же касается замерзающей капельки, то замерзнуть она вроде бы не должна, если она изолирована. В случае, сферической воды в вакууме, без фотонов, (модель прыгающих шариков,связанных между собой потенциальными ямками), то остыть ей просто некуда. Если же взять реальную воду, с фотонами, и не забывать про условие её изолированности, поместить в мысленный термос, то тоже остыть не должна. Без термоса - произойдет разделение на фазы, если так выразиться, вода отдельно, фотоны отдельно.

Если вернуться к поверхностному натяжению и усомниться в школьном выводе на пальцах, то все-равно при наличии этой силы, а она потенциальная, энергия какая-то просто обязана быть, с математической точки зрения.
Механизм, мне кажется, может оказаться схожим с механизмом растяжения резины, который описал Фейнман в известном видео.

https://www.youtube.com/watch?v=jg8amix0h9Q

Если верить Фейнману, то упругость резины возникает из-за энтропии, чем больше резина растянута- тем больше порядка. Не может ли получится с поверхностным натяжением подобного механизма? Т.е. вопрос, когда минимум потенциальной энергии можно применить остается открытым. Может не потенциальной энергии, а чего-то другого? И да, у Фейнмановской резинки есть изменение потенциальной энергии или только Энтропии? Он меня что-то запутал.

Попытаюсь слегка поправить школьное объяснение так, чтобы не возникало проблем со слоями, не так давящими друг на друга.
Для начала определимся с моделью воды. (жидкости). Если взять модель газа Ван-дер-Ваальса, с очень сильным притяжением между молекулами, таким, что они не способны покинуть границу в большом количестве. То она не годится. Причина в давлении. В жидкостях давление не зависит от температуры. Следовательно молекулы не должны ударять и отскакивать от манометра, как шарики. Им остается колебаться в узлах решетки. Удобно сидеть в потенциальных ямках, образуя кучу из мелких кристалликов, постоянно разваливающихся и собирающихся в разнообразных формах. Раз соседей у внутренних частиц больше, чем у внешних, и соседи образуя пару, засаживают друг друга в ямки, то и энергия (потенциальная) у жидкости с меньшей площадью поверхности меньше.

Остается понять механизм возникновения силы пов. натяжения с точки зрения молекул.