毛细现象
毛细现象(又称毛细管作用)是指液体在细管状物体或多孔物体内部,由“液体与物体间附着力”和“因液体分子间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,流向细管状物体或细缝的现象;该现象可以令液体克服地心引力而上升。此属于一种液体界面现象。
常见的是液体和固体之间的附着力大于液体本身内聚力的情况,如:布料、维管束组织、毛笔、多孔物体吸水、蜡油沿着棉线上升。而毛细管本身则是内径等于或小于1毫米的细管,主要用于医事检验及建筑材料上,一般非专业人员反而较少见。(注:植物根部吸收的水分能够经由茎内维管束上升,除了利用毛细现象外,最主要的原因是蒸散作用)。
水的毛细现象
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(例如水)时,管壁对水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成正比,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
在某些液体与固体的组合中,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,这和毛细管吸水的状况恰为相反。
毛细现象应用
- 在水文学中,毛细现象常用来解释土壤对水的吸引力;在土壤中,水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,会透过毛细现象吸汗。
- 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:
当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,即汞在玻璃管的情况。
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
- 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。
两块玻璃板之间的毛细管上升
层厚度(d)与高程高度(h)的乘积是常数(d·h =常数),这两个量成反比。 平面之间的液体表面是双曲线。