[科普中国]-毛细作用

毛细作用力

如果把直径很细的玻璃管（称毛细管）插人盛有水的容器中，水即沿着管内壁自动地上升，水呈凹面，并且高出容器皿的液面，这种能使水在毛细管中自动上升的力，称为毛细作用力。水是润湿玻璃管壁的，润湿管壁的液休在毛细管中是上升的。如果一种液体不润湿管壁，如水银在毛细管中是下降的，水银呈凸面，并且低于容器里的液面。如右图所示1。

毛细原理在自然界和日常生活中有许多毛细现象的例子，植物茎内的导管就是植物体内的极细的毛细管,它能把土壤里的水分吸上来。砖块吸水、毛巾吸汗、钢笔吸墨水都是常见的毛细现象。在这些物体中有许多细小的孔道起着毛细管的作用，液体的表面张力、内聚力和附着力的共同作用使水分可以在较小直径的毛细管中上升到一定的高度，称之为毛细现象。

液体为什么能在毛细管内上升或下降呢?我们已经知道,液体表面类似张紧的橡皮膜,如果液面是弯曲的,它就有变平的趋势。因此凹液面对下面的液体施以拉力，凸液面对下面的液体施以压力。浸润液体在毛细管中的液面是凹形的,它对下面的液体施加拉力,使液体沿着管壁上升,当向上的拉力跟管内液柱所受的重力相等时,管内的液体停止上升，达到平衡。同样的分析也可以解释不浸润液体在毛细管内下降的现象。

将内径很小的管子──毛细管插入液体中，管内外液面产生高度差的现象，又称毛细作用。当构成毛细管的固体材料为液体润湿时，管中液面升高并呈凹状；不润湿时，管中液面下降并呈凸形。由于管中液面弯曲而在液面下产生的附加压强称为毛细压强。管中液面为凸面时，附加压强为正；反之为负。
若毛细管的内径为r，管材与液体的接触角为 ，液体的密度为 ，表面张力系数为γ(σ) ，则由弯曲液面下的附加压强公式，可得到管中液面上升(或下降)的高度h

液柱上升高度是：

h----液体在毛细管中上升的高度，（cm）；

γ(σ) ---液体的表面张力系数，mN/m；

θ---液体表面对固体表面的接触角,（°）

ρ---液体密度，g/cm3

g = 重力加速度，cm/s2

r = 毛细管的半径，cm

由上式可知，液体在毛细管中上升的高度与表面张力系数和接触角余弦的乘积成正比，与毛细管的内径，液体的密度和重力加速度成反比2，式中g为重力加速度。故当管的内径过大时,h很小，此时管内外的高度差即难以观察出。

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。

毛细现象举例毛细现象在自然界、科学技术和日常生活中都起着重要作用。大量多孔性的固体材料在与液体接触时即出现毛细现象。纸张、纺织品、粉笔等物体能够吸水就是由于水能够润湿这些多孔性物质从而产生毛细现象。人们在工程技术中，常常利用毛细现象使润滑油通过孔隙进入机器部件中去润滑机器。

植物所以能够通过根和茎把土壤中的水和养分吸收到机体中来，部分原因就是凭借机体中毛细管的毛细作用。在动物的组织中，毛细现象也到处可见，而且对于维持动物的生命有巨大意义。

有些情况下毛细现象是有害的。例如,建筑房屋的时候,在砸实的地基中毛细管又多又细,它们会把土壤中的水分引来,使得室内潮湿。建房时在地基上面铺油毡,就是为了防止毛细现象造成的潮湿。 水沿毛细管上升的现象,对农业生产的影响很大。土壤里有很多毛细管,地下的水分经常沿着这些毛细管上升到地面上来。如果要保存地下的水分,就应当锄松地面的土壤,破坏土壤表层的毛细管,以减少水分的蒸发。