2020-06-17 16:07:38

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毛细现象(capillarity) 在一些线度小到足以与液体弯月面的曲率半径相比较的毛细管中发生的现象。毛细管中整个液体表面都将变得弯曲,液固分子间的相互作用可扩展到整个液体。日常生活中常见的毛细现象,如水因能润湿玻璃而会在细玻璃管中升高;反之,水银却因不能润湿玻璃而在其中下降。究其原因,全在于液体表面张力和曲面内外压强差的作用。

基本信息

  • 中文名

    毛细现象

  • 外文名

    capillarity

  • 性质

    物理现象

  • 实例

    砖块吸水、毛巾吸汗

  • 有害现象

    湿潮

  • 相关公式

    h=2γcosθ/(ρgr)

  • 本质

    液体表面对固体表面的吸引力

折叠 编辑本段 现象

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。

毛细作用,是液体表面对固体表面的吸引力。毛细管插入浸润液体中,管内液面上升,高于管外,毛细管插入不浸润液体中,管内液体下降,低于管外的现象。毛巾吸水,地下水沿土壤上升都是毛细现象。 在洁净的玻璃板上放一滴水银,它能够滚来滚去而不附着在玻璃板上。把一块洁净的玻璃板浸入水银里再取出来,玻璃上也不附着水银。这种液体不附着在固体表面上的现象叫做不浸润现象。对玻璃来说,水银是不浸润液体。

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、粉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。

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上来,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。

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。

折叠 编辑本段 浸润液体

在洁净的玻璃上放一滴水,它会附着在玻璃板上形成薄层。把一块洁净的玻璃片浸入水中再取出来,玻璃的表面会沾上一层水。这种液体附着在固体表面上的现象叫做浸润。对玻璃来说,水是浸润液体

同一种液体,对一种固体来说是浸润的,对另一种固体来说可能是不浸润的。水能浸润玻璃,但不能浸润石蜡。水银不能浸润玻璃,但能浸润锌。

把浸润液体装在容器里,例如把水装在玻璃烧杯里,由于水浸润玻璃,器壁附近的液面向上弯曲,把不浸润液体装在容器里,例如把水银装在玻璃管里,由于水银本身的表面张力大于水银与管壁之间的附着力,器壁附近的液面向下弯曲。在内径较小的容器里,这种现象更显著,液面形成凹形或凸形的弯月面

毛细现象把几根内径不同的细玻璃管插入水中,可以看到,管内的水面比容器里的水面高,管子的内径越小,里面的水面越高。把这些细玻璃管插入水银中,发生的现象正好相反,管子里的水银面比容器里的水银面低,管子的内径越小,里面的水银面越低。

浸润液体在细管里升高的现象和不浸润液体在细管里降低的现象,叫做毛细现象。能够产生明显毛细现象的管叫做毛细管

折叠 编辑本段 附加压强

表面张力对液体球的作用好像增加了一个垂直于球面的压强,称为附加压强。

对液滴,附加压强为2*表面张力系数/球面半径。

对肥皂泡等空心液体球,附加压强为4×表面张力系数/球面半径。

折叠 编辑本段 上升高度

毛细现象中液体上升、下降高度。h的正负表示上升或下降。

浸润液体上升,接触角为锐角;不浸润液体下降,接触角为钝角

上升高度h=2×表面张力系数/(液体密度×重力加速度g×液面半径R)。

上升高度h=2×表面张力系数×cos接触角/(液体密度*重力加速度g×毛细管半径r)。

折叠 编辑本段 公式

液柱上升高度是:h=2γcosθ/(ρgr)

此处,

γ= 表面张力;θ= 接触角= 液体密度;g= 重力加速度;r= 细管半径。

θ>90度,这表示弯液面为凸面;同时h<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,

γ= 0.0728 J/m θ= 20° ρ= 1000 kg/m3 g= 9.8 m/s 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。

折叠 编辑本段 推导

方法一:考虑表面张力的力 2πrγcosθ = ρghπr2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:P0 − 2γ / R+ ρgh= P0 其中R为弯液面的半径,Rcosθ = r;P0为大气压力

折叠 编辑本段 生物现象

毛细现象与植物饮水

毛细现象在生物学中有广泛的应用,如动植物的毛细血管,锄松土壤以破坏土壤的毛细管,减少表面水分的蒸发等。本文就部分毛细现象实验与植物体的毛细现象实验进行对比,以此了解物理学与生物学综合的意义。

1、根和茎的毛细现象

根是维管植物由胚根发育而来的体轴的地下部分。由主根及其许多侧根构成根系。主要的功能是为了固着植物体和支持地上部,并从土壤中吸收水和溶于水中的无机养料,亦有运输、贮存和合成某些有机物质的功能,并能向外分泌代谢废物。根尖表皮细胞向外突出的毛状物称为根毛,是根吸收水分和无机盐的主要部分。

由于根的上述功能,在进行植物吸收水分的教学时,一般用有根的凤仙花进行吸收水分实验;将凤仙花插入有红墨水的水杯中,水面上滴入植物油,杯口用脱脂棉堵塞,以减少蒸发。静置十多小时后,首先观察液面的下降。为了说明植物吸收水分导致液面下降,可以进行对照实验,几只杯子的水同样多,水面滴入同样多的植物油,并都用脱脂棉塞住瓶口,经过同样长的时间后,插有凤仙花的瓶子水面下降更明显。还可观察凤仙花的叶子和茎,剪断或揭去表皮,可以看到红色墨水已沿茎的表皮上升。后者只需几个小时。

事实上,直接用茎来做实验,同样可以看到红色墨水上升的现象。茎是维管植物由胚芽发育而来的体轴部分。其主要功能出是输导及支持。如果我们用蚕豆、油菜、葱、柳枝、松树及菊花的茎等,插入到红色水中,几个小时后,就可以在茎的表皮下观察到水的上升现象,在花瓣和叶脉上也可见红色。

2、植物的蒸腾作用

植物体能由根、茎输送水分,主要由根床(地下水的压力)、毛细现象和蒸腾作用。大气压由于互相抵消,不应是主要原因。

蒸腾作用主要是由叶下表面的气孔产生。将密闭的塑料袋扎在植物的树叶上,在阳光下很快就会有大量水珠在塑料袋中形成。这一蒸发导致植物要不断地从根茎中输送水分。

叶下表皮的气孔观察也是很有趣的活动。用蚕豆叶或葱叶,由刮胡刀片在叶背面浅浅划一小方块,再用及时贴揭下表皮,并用酒精洗(或用刀片刮)去叶绿体,然后直接贴到载玻片上,就可以用显微镜观察气孔了。

叶的气孔在早晨张开的较大,中午太热,为了减少蒸发量,张开的小。为了观察气孔,显然应选择在早晨摘取的叶子。证明这一结论也是一项有趣的研究活动。在同一植株(如同一棵蚕豆植株)上,分别在早晨及中午摘取多片叶子,获得叶下表皮,并尽可能用同样处理方法,在显微镜下观察,结果是早晨的叶子气孔多且大。

实验时,为了比较茎中存在的毛细现象与蒸腾作用的大小,进行对照实验:分别用剪去叶子和未剪去叶子的同一种植物的茎,插入同一个红色水的瓶中,结果,茎中都有红色水上升,而没有去掉叶子的茎上升的时间长。

茎能传输水分与蒸腾作用有关,同时叶的气孔能进行蒸腾,也是通过叶的毛细现象来传输水分的。

折叠 编辑本段 实验

不同液体的毛细现象

用三种液体进行比较:肥皂液、风油精、水。

拉伸的同一根尖嘴玻璃管,分别插入到三种液体中,上升的高度各不相同。风油精上升的高度最小,肥皂液其次。风油精实验,直接将玻璃管的尖端插入风油精的瓶中即可。

同种液体,在温度不同时,毛细现象也不同。

毛细现象上升的高度差异不是十分明显,要先用及时贴或记号笔作出标记,再用尺量

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