毛细现象(又称毛细管作用)是指液体在细管状物体内侧,由于内聚力与附着力的差异、克服地心引力而上升的现象。植物根部吸收的水分能够经由茎内维管束上升,即是毛细现象最常见的例子。当液体和固体(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。液体在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致。
水的毛细现象
毛细管常被用来作为说明毛细现象,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;直到液体内聚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乾燥处,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)。
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:
'
=
表面张力
'
=
接触角
'
=
液体密度
'
=
重力加速度
'
=
细管半径
当'>90度,这表示弯液面为凸面;同时'<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,
'
=
0.0728
J
m-2
'
=
20°
'
=
1000
kg
m-3
'
=
9.8
m
s-2
液柱高度为:
.
根据此方程式,理论上在1m宽的管中,水可以上升0.014
mm(因此极不容易被察觉);另外在1
cm宽的管中,水可以上升1.4
mm;而在半径0.1
mm
的毛细管中,水可以上升14
cm。
推导
方法一:考虑表面张力的力
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:
其中为弯液面的半径,;为大气压力。