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「
毛细管」
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關於毛细血
管,請見「
微血管」。
蠟燭燃燒時,体现了毛細作用。
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。
常見的是液體和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莖內維管束上升,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[编辑]
由於表面張力與附著力的差異,水在毛細管中,中央較四周凹下;汞在毛細管中,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(例如水)時,管壁對水的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成正比,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]
在某些液體與固體的組合中,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,這和毛細管吸水的狀況恰為相反。
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。
公式[编辑]
液柱上升高度是:
![{\displaystyle h={{2\gamma \cos {\theta }} \over {\rho gr}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/4abdaede887c1d57862ecd03574184c7ddf58fd2)
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
當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,即汞在玻璃管的情況。
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。
- 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:
![{\displaystyle P_{0}-{\frac {2\gamma }{R}}+\rho gh=P_{0}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/816e7fda30f09bead92bbe827688880dae34a774)
其中,R為彎液面的半徑,
;
則為大氣壓力。
两块玻璃板之间的毛细管上升[编辑]
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。
参见[编辑]