毛細管作用

毛細管作用（又稱毛細現象）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造成的影響。

毛細管常被用來說明毛細現象，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；直到液體表面張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。

產生毛細現象原因之一是由於附著層中分子的附著力與內聚力的作用，造成浸潤或不浸潤，因而使毛細管中的液面呈現彎月形。原因之二是由於存在表面張力，從而使彎曲液面產生附加壓強。由於彎月面的形成，使得沿液面切面方向作用的表面張力的合力，在凸彎月面處指向液體內部；在凹彎月面處指向液體外部。由於合力的作用使彎月面下液體的壓強發生了變化——對液體產生一個附加壓強，凸彎月面下液體的壓強大於水平液面下液體的壓強，而凹彎月面下液體的壓強小於水平液面下液體的壓強。根據在盛著同一液體的連通器中，同一高度處各點的壓強都相等的道理，當毛細管里的液面是凹彎月面時，液體不斷地上升，直到上升液柱的靜壓強抵消了附加壓強為止；同樣，當液面呈凸月面時，毛細管里的液體也將下降。

亦稱潤濕現象。當液體與固體接觸時，液體的附著層將沿固體表面延伸。當接觸角θ為銳角時，液體潤濕固體，若θ為零時，液體將展延到全部固體表面上，這種現象叫做“浸潤現象”。潤濕現象的產生與液體和固體的性質有關。同一種液體，能潤濕某些固體的表面，但對另外某些固體的表面就很難潤濕。例如，水能潤濕玻璃，但不能潤濕石蠟。

亦稱不潤濕現象。當液體與固體接觸時，液體的附著層將沿固體表面收縮。當接觸角θ為鈍角時，液體不潤濕固體，若時，液體完全不潤濕固體。這種現象稱為液體不浸潤現象。不潤濕現象的產生與液體和固體性質有關。同一種液體，能潤濕某些固體的表面，但不能潤濕另一些固體的表面。例如，水銀不能潤濕玻璃，卻能潤濕乾淨的鋅板、銅板、鐵板。

浸潤現象或不浸潤現象是針對不同的固體來說的，同一種液體對不同的固體可能浸潤，也可能不浸潤，比如水對玻璃浸潤，對菏葉不浸潤。

液體表面分子間的吸引力。即液體表面的分子有一種使其面積縮成最小的力，或稱一種抵抗表面積擴張的力，此力稱“表面張力”。液體表面是指液體與空氣或其他液體相接觸的自由表面。表面張力的大小與接觸面的物質有密切關係。此外，表面張力還與溫度有關，溫度越高，性質越不純，表面張力越小，相反的，水的溫度越低，性質越純，表面張力也越大。表面張力的方向總是與液面相切，與分界線相垂直。若在液面作一長為L的直線，將液面分成兩部分，這兩部分之間的相互牽引力為F，則表面張力，其中k為液體表面張力係數。表面張力的單位為牛頓/米。由於表面張力的作用，液滴表面有收縮到最小的趨勢，而使液滴成近似球形的狀態。所以當你裝滿一杯水之後，輕輕地把一粒粒小石頭放進水杯中，水會慢慢長得比杯口還要高，但卻不會溢出來。

所以我們可以換一個角度來解釋毛細現象：毛細現象含有細微孔隙的物體與液體接觸時，在浸潤情況下，液體沿孔隙上升；在不浸潤情況下，液體沿孔隙下降的現象。液體的表面張力越大，密度越小，物體的孔隙越小，毛細現象越顯著。毛細現象是附著力或內聚力與表面張力共同作用的結果。例如，毛細作用使水沿著玻璃管上升，水對玻璃管的附著力使水沿著管壁爬升，並形成一個凹面，但表面張力又使液體表面收縮而把液面往上拉平，這兩種力的聯合作用使水逐漸上升到高於周圍液面。當這兩種力與升高的液柱所受重力相平衡時，水就不再上升。

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。

1.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。

2.毛細現象也是眼淚能夠自眼睛不斷流出的必要因素。

3.現今某些材質的運動衣料，會透過毛細現象吸汗。

4.化學家常利用毛細現象來進行薄板層析（薄板色譜分析）。

5.自來水筆的筆管也是通過毛細現象維持筆頭濕潤

6.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。

7.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。

8.蠟燭芯將蠟引到火附近。

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

當度，這表示彎液面為凸面；同時，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 =

θ = 20°

液柱高度為：

根據此方程式，理論上在1米寬的管中，水可以上升0. 000 014米（因此極不容易被察覺）；另外在1厘米寬的管中，水可以上升0.14厘米；而在半徑0.1毫米的毛細管中，水可以上升140毫米。

推導方法

一：考慮表面張力的力

其中表面張力引起的力為，而其垂直向上的部分為

升起的液體部分的體積為，其重量（重力的作用力）為。

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：

其中，R為彎液面的半徑

則為大氣壓力。