毛細現象

毛細現象（capillarity） 在一些線度小到足以與液體彎月面的曲率半徑相比較的毛細管中發生的現象。毛細管中整個液體表面都將變得彎曲，液固分子間的相互作用可擴展到整個液體。日常生活中常見的毛細現象，如水因能潤濕玻璃而會在細玻璃管中升高；反之，水銀卻因不能潤濕玻璃而在其中下降。究其原因，全在於液體表面張力和曲面內外壓強差的作用。

基本介紹

• 中文名：毛細現象
• 外文名：capillarity
• 性質：物理現象
• 實例：磚塊吸水、毛巾吸汗
• 有害現象：濕潮
• 相關公式：h=2γcosθ/(ρgr)
• 本質：液體表面對固體表面的吸引力

現象

液體表面類似張緊的橡皮膜，如果液面是彎曲的，它就有變平的趨勢.因此凹液面對下面的液體施以拉力，凸液面對下面的液體施以壓力。浸潤液體在毛細管中的液面是凹形的，它對下面的液體施加拉力，使液體沿著管壁上升，當向上的拉力跟管內液柱所受的重力相等時，管內的液體停止上升，達到平衡。同樣的分析也可以解釋不浸潤液體在毛細管內下降的現象。

毛細作用，是液體表面對固體表面的吸引力。毛細管插入浸潤液體中，管內液面上升，高於管外，毛細管插入不浸潤液體中，管內液體下降，低於管外的現象。毛巾吸水，地下水沿土壤上升都是毛細現象。 在潔淨的玻璃板上放一滴水銀，它能夠滾來滾去而不附著在玻璃板上。把一塊潔淨的玻璃板浸入水銀里再取出來，玻璃上也不附著水銀。這種液體不附著在固體表面上的現象叫做不浸潤。對玻璃來說，水銀是不浸潤液體。

在自然界和日常生活中有許多毛細現象的例子。植物莖內的導管就是植物體內的極細的毛細管，它能把土壤里的水分吸上來。磚塊吸水、毛巾吸汗、粉筆吸墨水都是常見的毛細現象。在這些物體中有許多細小的孔道，起著毛細管的作用。

有些情況下毛細現象是有害的。例如，建築房屋的時候，在砸實的地基中毛細管又多又細，它們會把土壤中的水分引上來，使得室內潮濕。建房時在地基上面鋪油氈，就是為了防止毛細現象造成的。

水沿毛細管上升的現象，對農業生產的影響很大。土壤里有很多毛細管，地下的水分經常沿著這些毛細管上升到地面上來。如果要保存地下的水分，就應當鋤松地面的土壤，破壞土壤表層的毛細管，以減少水分的蒸發。

浸潤液體

在潔淨的玻璃上放一滴水，它會附著在玻璃板上形成薄層。把一塊潔淨的玻璃片浸入水中再取出來，玻璃的表面會沾上一層水。這種液體附著在固體表面上的現象叫做浸潤。對玻璃來說，水是浸潤液體。　

毛細現象實驗

同一種液體，對一種固體來說是浸潤的，對另一種固體來說可能是不浸潤的。水能浸潤玻璃，但不能浸潤石蠟。水銀不能浸潤玻璃，但能浸潤鋅。

把浸潤液體裝在容器里，例如把水裝在玻璃燒杯里，由於水浸潤玻璃，器壁附近的液面向上彎曲，把不浸潤液體裝在容器里，例如把水銀裝在玻璃管里，由於水銀本身的表面張力大於水銀與管壁之間的附著力，器壁附近的液面向下彎曲。在內徑較小的容器里，這種現象更顯著，液面形成凹形或凸形的彎月面。

毛細現象把幾根內徑不同的細玻璃管插入水中，可以看到，管內的水面比容器里的水面高，管子的內徑越小，裡面的水面越高。把這些細玻璃管插入水銀中，發生的現象正好相反，管子裡的水銀面比容器里的水銀面低，管子的內徑越小，裡面的水銀面越低。

浸潤液體在細管里升高的現象和不浸潤液體在細管里降低的現象，叫做毛細現象。能夠產生明顯毛細現象的管叫做毛細管。

附加壓強

表面張力對液體球的作用好像增加了一個垂直於球面的壓強，稱為附加壓強。

對液滴，附加壓強為2*表面張力係數/球面半徑。

對肥皂泡等空心液體球，附加壓強為4×表面張力係數/球面半徑。

上升高度

毛細現象中液體上升、下降高度。h的正負表示上升或下降。

浸潤液體上升，接觸角為銳角；不浸潤液體下降，接觸角為鈍角。

上升高度h=2×表面張力係數/（液體密度×重力加速度g×液面半徑R）。

上升高度h=2×表面張力係數×cos接觸角/（液體密度*重力加速度g×毛細管半徑r）。

公式

液柱上升高度是：h=2γcosθ/(ρgr)

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 θ= 20° ρ= 1000 kg/m3 g= 9.8 m/s 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。

生物現象

毛細現象與植物飲水

毛細現象在生物學中有廣泛的套用，如動植物的毛細血管，鋤鬆土壤以破壞土壤的毛細管，減少表面水分的蒸發等。本文就部分毛細現象實驗與植物體的毛細現象實驗進行對比，以此了解物理學與生物學綜合的意義。

1、根和莖的毛細現象

根是維管植物由胚根發育而來的體軸的地下部分。由主根及其許多側根構成根系。主要的功能是為了固著植物體和支持地上部，並從土壤中吸收水和溶於水中的無機養料，亦有運輸、貯存和合成某些有機物質的功能，並能向外分泌代謝廢物。根尖表皮細胞向外突出的毛狀物稱為根毛，是根吸收水分和無機鹽的主要部分。

由於根的上述功能，在進行植物吸收水分的教學時，一般用有根的鳳仙花進行吸收水分實驗；將鳳仙花插入有紅墨水的水杯中，水面上滴入植物油，杯口用脫脂棉堵塞，以減少蒸發。靜置十多小時後，首先觀察液面的下降。為了說明植物吸收水分導致液面下降，可以進行對照實驗，幾隻杯子的水同樣多，水面滴入同樣多的植物油，並都用脫脂棉塞住瓶口，經過同樣長的時間後，插有鳳仙花的瓶子水面下降更明顯。還可觀察鳳仙花的葉子和莖，剪斷或揭去表皮，可以看到紅色墨水已沿莖的表皮上升。後者只需幾個小時。

事實上，直接用莖來做實驗，同樣可以看到紅色墨水上升的現象。莖是維管植物由胚芽發育而來的體軸部分。其主要功能出是輸導及支持。如果我們用蠶豆、油菜、蔥、柳枝、松樹及菊花的莖等，插入到紅色水中，幾個小時後，就可以在莖的表皮下觀察到水的上升現象，在花瓣和葉脈上也可見紅色。

2、植物的蒸騰作用

植物體能由根、莖輸送水分，主要由根床（地下水的壓力）、毛細現象和蒸騰作用。大氣壓由於互相抵消，不應是主要原因。

蒸騰作用主要是由葉下表面的氣孔產生。將密閉的塑膠袋扎在植物的樹葉上，在陽光下很快就會有大量水珠在塑膠袋中形成。這一蒸發導致植物要不斷地從根莖中輸送水分。

葉下表皮的氣孔觀察也是很有趣的活動。用蠶豆葉或蔥葉，由刮鬍刀片在葉背面淺淺劃一小方塊，再用及時貼揭下表皮，並用酒精洗（或用刀片刮）去葉綠體，然後直接貼到載玻片上，就可以用顯微鏡觀察氣孔了。

葉的氣孔在早晨張開的較大，中午太熱，為了減少蒸發量，張開的小。為了觀察氣孔，顯然應選擇在早晨摘取的葉子。證明這一結論也是一項有趣的研究活動。在同一植株（如同一棵蠶豆植株）上，分別在早晨及中午摘取多片葉子，獲得葉下表皮，並儘可能用同樣處理方法，在顯微鏡下觀察，結果是早晨的葉子氣孔多且大。

實驗時，為了比較莖中存在的毛細現象與蒸騰作用的大小，進行對照實驗：分別用剪去葉子和未剪去葉子的同一種植物的莖，插入同一個紅色水的瓶中，結果，莖中都有紅色水上升，而沒有去掉葉子的莖上升的時間長。

莖能傳輸水分與蒸騰作用有關，同時葉的氣孔能進行蒸騰，也是通過葉的毛細現象來傳輸水分的。

實驗

不同液體的毛細現象

用三種液體進行比較：肥皂液、風油精、水。

拉伸的同一根尖嘴玻璃管，分別插入到三種液體中，上升的高度各不相同。風油精上升的高度最小，肥皂液其次。風油精實驗，直接將玻璃管的尖端插入風油精的瓶中即可。

同種液體，在溫度不同時，毛細現象也不同。

毛細現象上升的高度差異不是十分明顯，要先用及時貼或記號筆作出標記，再用尺量