毛细现象

维基百科,自由的百科全书
(重定向自毛細力
跳转至: 导航搜索
蠟燭燃燒時,應用了毛細作用。

毛細現象(又稱毛細管作用)是指液體在細管狀物體內側,由於內聚力附著力的差異、克服地心引力而上升的現象。植物根部吸收的水分能夠經由維管束上升,即是毛細現象最常見的例子。當液體固體(管壁)之間的附著力大於液體本身內聚力時,就會產生毛細現象。液體垂直的細管中時液面呈凹或凸狀、以及多孔材質物體能吸收液體皆為此現象所致。

水的毛細現象[编辑]

由於表面張力附著力的差異,在毛細管中,中央較四周凹下;在毛細管中,中央較四周凸起。

毛細管常被用來說明毛細現象,當垂直的細玻璃管底部置於液體中(例如)時,管壁對附著力便會使液面四周稍比中央高出一些;直到液體表面張力已經無法克服其重量時,才會停止繼續上升。在毛細管中,液柱重量與管徑的平方正比,但是液體與管壁的接觸面積只與管徑成正比;這使得較窄的毛細管吸水會比較寬的毛細管來得高。例如,一根管徑0.5毫米的玻璃細管,理論上能夠將水抬升2.8厘米,但實際觀察時其高度會略低些。

汞的毛細現象[编辑]

在某些液體固體的組合中,與毛細管吸水的狀況略為不同,例如細玻璃管與水銀(汞),汞柱本身的原子內聚力大於汞柱與管壁之間的附著力,故汞柱液面中央會稍比四周凸起,這和毛細管吸的狀況恰為相反。

毛細現象應用[编辑]

化學上的薄板層析利用了毛細現象。
紙巾透過毛細現象,將水充分吸收。
  • 水文學中,毛細現象常用來解釋土壤的吸引力;在土壤中,分會由較潮溼處移動到乾燥處,即是毛細現象所致。
  • 毛細現象也是眼淚能夠自眼睛不斷流出的必要因素。
  • 現今某些材質的運動衣料,會透過毛細現象吸
  • 化學家常利用毛細現象來進行薄板層析(薄板色譜分析)。
  • 紙巾即是透過毛細現象吸收液體,其充滿細孔的材質使得液體能夠被紙巾吸收。
  • 海綿有非常多的細小孔洞(相當於毛細管),這使得海綿能夠吸收大量的液體
  • 蠟燭芯將蠟引到火附近。

公式[编辑]

液柱上升高度是:

h={{2 \gamma \cos{\theta}}\over{\rho g r}}

此處:

γ = 表面張力
θ = 接觸角
ρ = 液體密度
g = 重力加速度
r = 細管半徑

θ>90度,這表示彎液面為凸面;同時h<0,表示流體在毛細管下降,即在玻璃管的情況。

對於在海平面上,裝了水的玻璃管,

γ = 0.0728 J m-2
θ = 20°
ρ = 1000 kg m-3
g = 9.8 m s-2

液柱高度為:

h\approx {{1.4 \times 10^{-5}}\over r} \ \mbox{m} .

根據此方程式,理論上在1米寬的管中,水可以上升0. 000 014米(因此極不容易被察覺);另外在1厘米寬的管中,水可以上升0.14厘米;而在半徑0.1毫米的毛細管中,水可以上升140毫米。

推導[编辑]

  • 方法一:考慮表面張力的力
2\pi r\gamma\cos\theta = \rho gh \pi r^2 \;.

其中

表面張力引起的力為F = 2\pi r\gamma\;,而其垂直向上的部分為F \cdot \cos\theta\;
升起的液體部分的體積為V = \pi r^2 h\;,其重量重力的作用力)為\rho Vg \;;。
  • 方法二:考慮流體內非常接近彎液面的點A和非常接近毛細管外表面的點B的壓力,按伯努利定律有:
P_0 - \frac{2\gamma}{R} + \rho g h = P_0

其中,R為彎液面的半徑,R = \frac{r}{\cos\theta}P_0=P_A=P_B則為大氣壓力。

参见[编辑]