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毛細血管現象

標籤:壓力 物理

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。

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。
水的毛細現象
由於內聚力與附著力的差異,水在毛細管中,中央較四周凹下;汞在毛細管中,中央較四中凸起。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
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
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。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,水分會由較潮濕處移動到乾燥處,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。
蠟燭芯將蠟引到火附近。
公式
液柱上升高度是:
此處:
γ = 表面張力
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1m寬的管中,水可以上升0.014 mm(因此極不容易被察覺);另外在1 cm寬的管中,水可以上升1.4 mm;而在半徑0.1 mm 的毛細管中,水可以上升14 cm。
推導
方法一:考慮表面張力的力
2πrγcosθ = ρghπr2
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:
P0 ? 2γ / R + ρgh = P0
其中R為彎液面的半徑,Rcosθ = r;P0為大氣壓力。
蠟燭燃燒時應用了毛細作用!
紙巾透過毛細現象,將水充分吸收!
化學上的「薄板層吸」,利用了毛細現象!
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