关于水分子表面张力和表面水分子合力的问题,望有心人士回答,1书上说表面水分子受到内部水分子的引力比较大,所以合力向下,这个力为表面张力,但是书上说的是表面张力是液面的切线方向

Question

关于水分子表面张力和表面水分子合力的问题,望有心人士回答,
1 书上说表面水分子受到内部水分子的引力比较大,所以合力向下,这个力为表面张力,但是书上说的是表面张力是液面的切线方向,为什么?
2 为什么表面水分子合力向下,为什么水分子不沉下去,而是有收缩趋势
3 假设问题1中的合力向下是水分子和左右两个分子的吸引力,向着圆左下和圆右下,合力才指向下,这样的话如果水平面是平的,表面张力平行鱼水平面,没有弧度的话和合力怎么向下
本人没有悬赏,希望热心人士可以详细通俗回答我的问题,我确实想了很久,

Answer 1

这个问题透彻弄清楚不是很容易.楼上前面一部分是正确的.不过未能说明最终表面张力是沿液面方向,而不是垂直于表面.
下面我们先假定,水分子（粗略近似为球体）在水中平均分布,呈立方网格状分布（实际情况不是如此,这里只是为了简化讨论,并不影响定性结论）,不考虑其无规则运动（无规则运动对问题的影响平均而言相互抵消）.
我们都知道分子间引力和斥力同时存在,引力有效作用范围较大,一般认为十个分子直径“方圆”,我们不妨假定是五个最邻近分子质心间距,即该范围内的所有分子（大约500个分子）都对中心分子有引力作用.斥力有效作用范围较小,一两个分子直径方圆,不妨假定就是一个分子质心间距（上下左右共4个分子对中心分子有斥力作用）.这样假定不影响定性分析.
现在我们在液面下方紧靠液面的一层水分子中,任取一个水分子为中心,以五倍分子间距为半径作一个球面.如果上半球面内也充满水分子,则中心分子受力平衡（受到周围分子总的引力与总的斥力都是零,这就是液体内部分子的受力情况）.现在上半球中只有一层水分子,和不超过一两个空气分子或水蒸气分子（从而气体分子数目可以忽略）.从竖直方向看,中心分子受到的总斥力不变,为零（上下各有一个最邻近分子,两个斥力方向相反,大小相等,即便考虑上下两层次邻近分子的斥力在竖直方向上的分力,也总是两两成对而抵消）,而引力则是下面有五层分子吸引,上面只有一层分子吸引,这样这个分子就受到了净的指向下方的引力,显然该分子会稍稍下移使之与下方的分子间距相比平均间距减小,斥力增大（引力虽也随之增大,但增加幅度较小）,而取得力平衡.同理该层上的每个分子都会稍稍下移,这样与表面第一层分子间距拉大,表层分子受力又不平衡,也会发生稍稍下移.上述分子面下移的情况在表层五层分子中都会出现,只是程度不完全相等.总体上看,表面的几层分子收到了内部的净的引力而使五层分子的总间距在竖直方向上略微压缩.即表面存在被向水本体方向拉的趋势,造成这个趋势的力是垂直指向液面向下的.这个力随着分子间距的自动调整（竖直方向压缩）就消失了.而表面张力并不是这个力.
从前面的分析知道,表面分子受到来自内部的净的引力作用,使这些分子尽可能地向液体本体运动,缩小表面积,直到它们受到的斥力增大与最初的净的引力抵消为止.对于像烧杯中的大量水而言,表面积无法减小,只能是表层分子间距被压缩,而取得受力平衡.那怎样才会受到表面张力呢?对于水平面的例子,我们可以在水平面上放一根细直金属丝（细丝的中央有个钩子）,用外力将细丝缓缓向上拉,拉的高度不是太大时,液膜不会被拉破,这时金属丝才受到表面张力的作用.拉伸液膜实际上就在增大表面积,增大沿液膜表面的分子间距,从而液体表面将出现与之对抗的表面张力,表面张力实际上就是表面分子间距增大后分子间引力和斥力不再平衡,而产生的净的引力的合力.由于表面分子间距是在沿液膜方向被拉伸的,故液膜某一处受到的表面张力总是平行于该处的表面,而液膜各处受到的表面张力之和总是竖直指向液体本体,而与外力相平衡（假定匀速拉伸液膜,并忽略金属丝的重力）.
下面针对你的提问回答.
1 书上说表面水分子受到内部水分子的引力比较大,所以合力向下,这个力为表面张力.
这个说法不准确,只是在假定分子均匀分布的情况下,才会出现上述合力.实际上稳定状态的液面,分子间距通过自发调整并不均匀,不存在这个力（处处分子受力平衡,不考虑热运动的话）.这个合力是使原先假定分子均匀分布,表面积较大的情况下,表面积尽可能缩小（尽可能小时表面和内部均受力平衡）的力,而并非是表面张力本身.引起表面张力的原因是液膜被拉伸（相对于平衡状态,表面分子间距增大）,水分子脱离受力平衡位置,而受到的不平衡的引力和斥力,即分子间沿液膜方向产生了净的引力,这个净的引力的合力才是表面张力.
失重条件下,水会形成球体,以达到最小表面积和分子间受力平衡的平衡状态.已处于平衡状态的情况不受到任何的表面张力作用.只有脱离球形,表面分子脱离平衡位置,表面分子间才会出现净的引力,总的效果即是表面张力.我们通常会说水珠或失重条件下水受到表面张力的作用使之成（近似）呈球体.不能理解为呈球体后仍存在表面张力,应当理解为一旦不是球体就会出现（不平衡的）表面张力,而促使其形成球体.
但是书上说的是表面张力是液面的切线方向,为什么?
微观上,液膜表面的相邻分子间的净引力方向显然是该处液面的切线方向,在此附近的分子引力方向近似相同,远了方向就有明显不同了.准确地说,每一处的方向就是该处液膜的切线方向.
2 为什么表面水分子合力向下,为什么水分子不沉下去,而是有收缩趋势
仍不考虑热运动,平均而言,假定不存在这个向下的合力,分子将在空间均匀分布,而一旦均匀分布的话将存在表面指向本体的合力,表层水分子当然会“沉”下去,不过稍许“沉”下一点点,与下层分子间距减小,两层间产生净的斥力,将阻碍表层进一步“下沉”.所谓收缩趋势,就是说如果可能的话一定体积的水总是倾向于取得最小表面积,就是球体.但实际上由于重力的作用,大体积的水,不可能形成球体或近似球体,液面只能形成平面.表面分子层（相对理想的均匀分布）会略有下移,侧面积略有减少,达到重力条件下的最小表面积.
3 假设问题1中的合力向下是水分子和左右两个分子的吸引力,向着圆左下和圆右下,合力才指向下,这样的话如果水平面是平的,表面张力平行鱼水平面,没有弧度的话和合力怎么向下
水平面不存在表面张力（在重力存在的条件下,表面积已经尽可能小,已经受力平衡）,只有将表面扩大,例如前面的例子,才会有表面张力.
如有不明欢迎追问.