根据表面张力的形成机理,表面张力是气液接触面上,液体表面层分子间吸引力的宏观表现。
【关于表面张力方向的困惑】接触面液面到底有没有受到表面张力?
上图的例子中,作者的解析说,表面张力产生指向球面曲率中心的压强,也就是说表面张力的方向在接触线一圈都是斜向上的。

但是我认为,(重点)对接触面液面整体分析,由于该面没有再与其他液面接触(不是某大液面的一部分),所以对接触面液面整体来说,并没有受到表面张力?求有耐心的大神详细解释一下这里的来龙去脉。

解说

完整球形液面(如液滴或气泡)和毛细管内的凸凹液面都是比较典型的弯曲液面。若以球形液面任意选取区域为研究对象,则研究区域边缘各点所受表面张力即为气液界面(液体表面)张力σg-l,其施力相界面显然为气液界面,此处并不会产生难解的疑问。但就毛细管内凸凹液面而言情况则大为不同。凹凸液面是球形液面的一部分,前者与后者最显著的不同就是研究边缘以外气液界面的缺失。然而,目前各高校通用的物化教材及已出版的论文并未对二者加以区分,直接将前者边缘各点所受的表面张力的大小和方向等同于后者(如图1所示)。

【关于表面张力方向的困惑】接触面液面到底有没有受到表面张力?

虽然无数实验现象已证明这是毋庸置疑的事实,但前者边缘各点所受表面张力不可能像后者那样由研究区域以外的气液界面收缩而把表面张力施加到研究边界上。那么,前者边缘的表面张力到底是哪个相界面施予的呢?如果另有其他相界面将表面张力施加在前者的边缘,却又为何这个表面张力的数值刚好等于液体的表面张力(即气液界面张力)呢?在此,我们以毛细管中的凹液面为例来探讨其边缘各点上表面张力的来源。


首先,将凹液面所在的球面补充完整,如图2所示,然后以凹液面边缘上的某点B为研究对象来分析其受力情况。显然,B点受到三个界面张力的作用,即σg-s、σg-l、σl-s。当体系达平衡时,B点在竖直方向所受合力为零,则有,其中θ为液固界面接触角。

【关于表面张力方向的困惑】接触面液面到底有没有受到表面张力?

然后,我们再以整个凹液面为研究对象来分析其边缘各点的受力情况。研究对象扩大到整个凹液面,此时凹液面收缩对边缘各点所产生的作用力(即气液表面张力σg-l)已不在分析范围之列,因为它是研究对象内部各组成部分之间的作用力。此时,边缘各点(包括B点,故仍以其为例)只受到σg-s、σl-s的两个界面张力的作用。如果毛细管竖直放置,那么达平衡时凹液面边缘各点所受的合力作用就是竖直向上的,大小等于。


根据力的合成与分解原理可知,σl-s和σg-s在BC及BC反向延长线方向上的分解力之和等于σg-l,即。换句话说,凹液面边缘各点所受的界面张力之合力的作用效果相当于在BC反向延长线方向上存在着一个气液界面张力σg-l。事实上,当以凹液面整体为研究对象时,并不存在研究对象以外的气液相界面直接将σg-l沿BC反向延长线方向施予B点,只不过是气固界面和液固界面施予B点的界面张力的合力在BC的反向延长线方向上的分解力数值恰好等于σg-l而已。


因此,从这个意义上来讲,毛细管凹液面边缘所受的σg-l是作用效果等同力,脱离了缜密的受力分析而去探讨其来源,必然受困其中。

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