毛细现象 - Wikiwand
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毛细现象

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蜡烛燃烧时,体现了毛细作用。
蜡烛燃烧时,体现了毛细作用。

毛细现象(又称毛细管作用)是指液体在细管状物体内侧,由液体与物体之间的附着力和因内聚力而产生的表面张力组合而成,令液体在不需施加外力的情况下,流向细管状物体的现象,该现象甚至令液体克服地心引力而上升。植物根部吸收的水分能够经由维管束上升,即是毛细现象最常见的例子。当液体固体(管壁)之间的附着力大于液体本身内聚力时,就会产生毛细现象。液体垂直的细管中时液面呈凹或凸状、以及多孔材质物体能吸收液体皆为此现象所造成的影响。

水的毛细现象

由于表面张力与附着力的差异,水在毛细管中,中央较四周凹下;汞在毛细管中,中央较四周凸起。
由于表面张力与附着力的差异,在毛细管中,中央较四周凹下;在毛细管中,中央较四周凸起。

毛细管常被用来说明毛细现象,当垂直的细玻璃管底部置于液体中(例如)时,管壁对的附着力便会使液面四周稍比中央高出一些;直到液体表面张力已经无法克服其重量时,才会停止继续上升。在毛细管中,液柱重量与管径的平方正比,但是液体与管壁的接触面积只与管径成正比;这使得较窄的毛细管吸水会比较宽的毛细管来得高。例如,一根管径0.5毫米的玻璃细管,理论上能够将水抬升2.8厘米,但实际观察时其高度会略低些。

汞的毛细现象

在某些液体固体的组合中,与毛细管吸水的状况略为不同,例如细玻璃管与水银(汞),汞柱本身的原子内聚力大于汞柱与管壁之间的附着力,故汞柱液面中央会稍比四周凸起,这和毛细管吸的状况恰为相反。

毛细现象应用

化学上的薄板层析利用了毛细现象。
化学上的薄板层析利用了毛细现象。
纸巾透过毛细现象,将水充分吸收。
纸巾透过毛细现象,将水充分吸收。
  • 水文学中,毛细现象常用来解释土壤的吸引力;在土壤中,分会由较潮湿处移动到干燥处,即是毛细现象所致。
  • 毛细现象也是眼泪能够自眼睛不断流出的必要因素。
  • 现今某些材质的运动衣料,会透过毛细现象吸
  • 化学家常利用毛细现象来进行薄板层析(薄板色谱分析)。
  • 自来水笔的笔管也是通过毛细现象维持笔头湿润
  • 纸巾即是透过毛细现象吸收液体,其充满细孔的材质使得液体能够被纸巾吸收。
  • 海绵有非常多的细小孔洞(相当于毛细管),这使得海绵能够吸收大量的液体
  • 蜡烛芯将蜡引到火附近。

公式

液柱上升高度是:

此处:

γ = 表面张力系数
θ = 接触角
ρ = 液体密度
g = 重力加速度
r = 细管半径

θ>90度,这表示弯液面为凸面;同时h<0,表示流体在毛细管下降,即在玻璃管的情况。

对于在海平面上,装了水的玻璃管,

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

液柱高度为:

.

根据此方程式,理论上在半径1米的管中,水可以上升0. 000 014米(因此极不容易被察觉);另外在半径1厘米的管中,水可以上升0.14厘米;而在半径0.1毫米的毛细管中,水可以上升140毫米。

推导

  • 方法一:考虑表面张力的力
.

其中

表面张力引起的力为,而其垂直向上的部分为
升起的液体部分的体积为,其重量重力的作用力)为;。
  • 方法二:考虑流体内非常接近弯液面的点A和非常接近毛细管外表面的点B的压力,按伯努利定律有:

其中,R为弯液面的半径,则为大气压力。

参见

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