表面张力分析

如果我们在液体内部任取一分子P ，以P为球心， 以分子引力半径R 为半径作一球，这样球外分子 对P 无作用力，只有球内分子对P 的作用力。 对于表面层以下的液体内部分子受到的引力必定 是球对称的，合力等于零。 对于表面层自身内部的分子分子受到两种力的作 用：液体和液外气体但气体内分子稀疏对液体分 子的作用力较小导致液体分子受力不均衡。
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由于球体是左右对称，上下不对称的，所以对于B分 子所受的其他分子的作用力，在水平方向上的分力相 互抵消，合力方向应该为垂直液面向下的。这样，处 于表面层中的液体分子，都受到垂直于液面并指向液 体内部的力的作用。
在这些力作用下，表面层内的所有液体分子均受 有向下的吸引力，使液体表面的分子有被拉进液 体内部的趋势，从而把表面层紧紧拉向液体内部。 在宏观上就表现为液体表面有收缩的趋势。当自 由表面收缩时，在收缩的方向上必定有与收缩方 向相反的作用力，这种表面层内分子间的分子力 为引力的宏观表现，称为表面张力。
由于表层分子受到的是引力既分子间距离大于 o ，当表 层分子向里运动是分子力做正功，分子势能减少。因此 表层分子具有较高的势能。
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任何一个系统，当它处于稳定状态时，系统的能 量必定是最低态的。因此，一个液体系统在稳定 状态下应具有最低的表面能。这就要求液体表面 层中应包含尽可能少的分子，所以表面层内的分 子有尽量挤入液体内部的趋势，从而使液体系统 具有尽可能小的表面积，即液面有收缩的趋势， 这种趋势在宏观上就表现为液体的表面张力。
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由液体的性质可知：液体中分子与分子之间的距 离比气体分子之间的距离小得多，它的平均距离
分子间的距离在 r－10 r之间时，此时，分子之 o o 间的作用力表现为引力，若分子间的距离大于 10 r，则引力趋于零。 o
所以，我们可以认为液体分子之间的引力作用范 围是一个半径不超过10 r0的球，只有球内的分 子才对球心的分子有作用力，这个球的半径就称 为分子引力作用半径。而液面下厚度约等于分子 引力作用半径的一层液体称为液体的表面层。所 以，凡是液体跟气体接触的表面，都会形成一个 有两个表面的薄层，称为表面层。
由于表面层中的液体分子，受到液体内分子的引 力都有指向液体内部的，所以表面层中的分子受 力后，就要进入液体内部分子力做正功，分子势 能减少。 液体内部的分子要移到表面层，需克服分子力做 功，分子势能就要增加。即表面层内分子的势能 比液体内部分子的势能大，表面层为高势能区， 表面层中所有分子高出内部分子的那部分势能的 总和，称为液体的表面能。