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毛細現象

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蠟燭燃燒時,體現了毛細作用。

毛細現象(又稱毛細管作用)是指液體在細管狀物體或多孔物體內部,由「液體與物體間附著力」和「因液體分子間內聚力而產生的表面張力」組合而成,令液體在不需施加外力的情況下,流向細管狀物體或細縫的現象;該現象可以令液體克服地心引力而上升。此屬於一種液體界面現象

常見的是液體固體之間的附著力大於液體本身內聚力的情況,如:布料、維管束組織、毛筆、多孔物體吸水、蠟油沿著棉線上升。而毛細管本身則是內徑等於或小於1毫米的細管,主要用於醫事檢驗及建築材料上,一般非專業人員反而較少見。(註:植物根部吸收的水分能夠經由維管束上升,除了利用毛細現象外,最主要的原因是蒸散作用)。

水的毛細現象

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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

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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

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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)。
  • 自來水筆的筆管也是通過毛細現象維持筆頭濕潤
  • 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

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液柱上升高度是:

此處:

γ = 表面張力係數
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:

.

根據此方程式,理論上在半徑1米的管中,水可以上升0. 000 014米(因此極不容易被察覺);另外在半徑1厘米的管中,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

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  • 方法一:考慮表面張力的力
.

其中

表面張力引起的力為,而其垂直向上的部分為
升起的液體部分的體積為,其重量重力的作用力)為;。
  • 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:

其中,R為彎液面的半徑,則為大氣壓力。

兩塊玻璃板之間的毛細管上升

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層厚度(d)與高程高度(h)的乘積是常數(d·h =常數),這兩個量成反比。 平面之間的液體表面是雙曲線。

參見

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