液体表面张力的方向是

Question

如题所述

Answer 1

以表示液体内部分子对它的吸引力，远远大于液面上蒸气分子对于它的吸引力，即合力指向液体内部。于是，看起来表面张力好像是垂直于液体表面的。

这里是许多文章包括英语及德语维基百科在内，对于表面张力缩小液体表面的解释。但是，答主查阅了很多这样解释的文献或者资料，但是没有任何一份明确的说出一句——这个合力就是表面张力的方向。而搜索关键词，表面张力方向的时候，回答都是——表面张力平行于液体表面。所以，这个图展示的受力分析存在巨大的问题。也导致了对表面张力方向的误解。

出现问题的原因在于：图中所画的力，只有引力，而没有斥力。但是，分子间作用力，引力和斥力作用实际上是必须同时考虑的。也就是说，这个图的问题是——力没分析全。

即，对于体相中的分子，其所受斥力在各方向均等大反向；而对于位于表面的分子，粒子之间的排斥力从（气相中的）忽略不计，在经过几个分子层后，迅速增加到体相的强度。在这一增加过程中，由于排斥力的各向同性本质，其在任一位置的强度在各个方向是一样的。

进而，受力分析从垂直和水平两个方向考虑。

位于液体表面的分子，其所受到的排斥力较小，缺少来自上方的排斥力，而这个斥力随着深度加深而增大。根据受力平衡：垂直方向——吸引力随着不断深入液相体相而增大，直至达到饱和值。同一深度水平方向——没有必要通过吸引力来抵消排斥力，因为来自各水平方向的排斥力自己可以相互抵消（且强度随着深入液相深度的变化与垂直方向的情形相同）；但是在水平方向的吸引力，由于水平方向周围粒子的分布密度比垂直方向要高，就可以大于排斥力，因为吸引力是容许各向异性的（即各个方向的力的强度可以不一样）。于是可以看出，合力的作用方向，即表面张力的方向，平行于表面。也就是说——是这个引力作用，使表面趋于缩小。