毛细现象
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毛細現象(又稱毛細管作用)是指液體在細管狀物體內側,由於內聚力與附著力的差異、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莖內維管束上升,即是毛細現象最常見的例子。當液體和固體(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。液體在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。
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[编辑] 水的毛細現象
毛細管常被用來作為說明毛細現象,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;直到液體內聚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(mm)的玻璃細管,理論上能夠將水抬升2.8厘米(cm),但實際觀察時其高度會略低些。
[编辑] 汞的毛細現象
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。
[编辑] 毛細現象應用
- 在水文學中,毛細現象常用來解釋土壤對水的吸引力;在土壤中,水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,會透過毛細現象吸汗。
- 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。
[编辑] 方程式
以公制單位表示時,液柱上升高度(以「h」表示,單位為-{zh-cn:米;zh-tw:公尺}-)是:
(在海平面上,水在玻璃管中的情況:) | |
T = 表面張力 (J/m² or N/m) | T = 0.0728 J/m² (在20°C時) |
θ = 接觸角度 | θ = 20° (0.35 rad) |
ρ = 液體密度 (kg/m3) | ρ = 1000 kg/m3 |
g = 重力加速度 (m/s²) | g = 9.8 m/s² |
r = 細管半徑 (m) |
另外,液柱高度亦可直接由以下方程式算出:
- .
根據此方程式,理論上在1m寬的管中,水可以上升0.014毫米(mm)(也因此極不容易被察覺);另外在1cm寬的館中,水可以上升1.4mm;而在半徑0.1mm的毛細管中,水可以上升14cm(約等於6英吋)。