毛细管现象

相信绝大多数人都听说过水的毛细现象，也叫毛细管现象。毛细管现象，具体来说就是指直径很小两端开口的细管竖直插入液体中，由于表面张力的作用，管中的面会发生上升或下降的现象。毛细现象生活中很常见的现象。

1、高树存活

我们总会看见,在植物园中,甚至是马路上,都有很多高大的树木屹然挺立。这么高的树,水分是如何输送到顶端而使它存活的呢?其实水被送到树顶的动力之一就是毛细现象。通过树干内的“水管”即毛细管。

另外还有3种力量:根压、蒸腾拉力和内聚力。

蒸腾拉力是树叶受光照、风吹等原因,使大量水分从叶子表面蒸发出去而产生的力。叶子的表皮细胞因光照等原因失水后,就向内部的叶肉细胞吸水来弥补损失;叶肉细胞也“如法炮制”,向叶脉吸水;叶脉又向叶柄吸水;叶柄再向枝干吸水……依此推下去,蒸腾拉力就把树干内导管中的水(由毛细现象、根压和内聚力送上来)吸到树顶的叶子中来了。而这一系列的“吸”,都离不开毛细现象。

2、墙脚潮湿

许多同学可能会遇到这样的问题,装修好不久的房子,内墙脚老是湿漉漉的。但是凿开了墙脚,看见并没有水管之类的设施漏水,可墙内也是湿漉漉的,但却不知道这些水从哪里来?

原来,这是地下水因为毛细现象沿着毛细管(由墙体内的空隙组成)上升的结果。这种现象,在老旧的砖混结构墙或现在那些质量差的疏松混凝土(通常是水泥质量差或不够分量)墙中很常见。所以,除了建筑时要做好墙体底部的防水层(例如铺油毡)和外墙防水层之外,在装修时还要用专门的防水剂做好内墙防水层,以彻底切断这些毛细管。其中,外墙防水层防止雨水等从室外渗入室内,内墙防水层防止墙内水分渗出损害墙面和防止室内水分进入墙体而损害墙体。这对厨房、厕所兼浴室等潮湿的房间尤为重要。最容易忽略的是,某些建筑商没有按规定在墙体的底部和地基之间做防水层,致使地下水沿墙体内的毛细管上升。

3、含羞泉

四川广源县龙门山陈家乡山上的“含羞泉”的地层里有许多缝隙构成的毛细管。所以,每当人们把石头扔入泉中产生声音的震动时,泉水就像害羞的大姑娘那样“含羞”消失了。泉水震动的压力,阻遏地下水沿毛细管上升。但过了一会儿泉水又会重新流出来。震动停止后压力消失,地下水沿毛细管上升。

4 其他现象

如果我们早晨上学走得匆忙,就把毛巾胡乱扔进脸盆中(但毛巾的一端垂吊在脸盆外),晚上归来的时候,就会看到满地的水。这是毛细现象惹的祸。饼干、吸水纸或砖块等吸水、毛巾吸汗、粉笔吸墨水,也是因为毛细现象。吸水性优良的餐巾纸广泛取代了传统的手帕,成为用餐时及其他场合擦干手上的水等的常用物品。它和“尿不湿”一样能大量吸水的“奥秘”在于,疏松的纸质形成许多空隙,因而毛细现象显著。这也是它们和不吸水的普通光滑纸区别。过去的桐油灯、煤油灯,以及实验室的酒精灯中的液体燃料,之所以能自动升高到灯芯的顶端,靠的也是毛细现象。利用吸水纸(例如卫生纸)等的吸水性质,可以轻易吸掉不小心滴落在书上的墨汁;同样的方法可吸去衣物上的蜡渍(要同时在衣物无蜡的那一面用电吹风加热)、油渍等。

宏观角度上来讲，毛细管效应来自于液体与固体接触面的浸润性和表面张力，按照Young-Laplace公式可以具体计算不同液体在不同表面到底存在多少张力，不同管径的毛细管会带来液面的多少变化；

微观角度来讲，液体的表面张力是液体分子和固体材料表面作用的体现，比如玻璃和水，普通的硅酸盐玻璃表层是大量羟基结构，和水分子以及水电离出的质子以及氢氧根离子之间存在着不小的氢键作用，体现到宏观就是水在玻璃表面有很好的浸润性和很高的表面张力。

下面我们以平时点板子的玻璃毛细管为例，以便形象地说明毛细管现象原理：

玻璃的光滑表面有Si和O的未成键电子分布，能与水分子产生很强的相互作用，使水分子倾向于附着到玻璃表面。所以当我们把一根毛细管插进水里，我们会发现毛细管中的液面向下凹陷：

而这个凹陷的表面，就导致了张力分布的变化

在一个完全平整的液面表面，张力为水平，合力为0而在曲面上，任意选取一条封闭边界，会发现向外与向内的张力不在同一平面上，其中向外的张力合力向上，向内的张力合力向下。而总的合力指向上方。假设该凹面曲率均匀，那么张力造成的总合力指向曲率中心，在此处是竖直向上的。该向上的合力导致的附加压力可以由Young-Laplace公式的球面形式推出：

其中，P8为表面张力导致的液面收到的向上的压强（附加压力），为表面张力，R 为液面的曲率半径。

视液面曲率均匀，则我们可以通过接触角和毛细管的半径来得到该液面的曲率半径

在竖直向上的附加压力的作用下，液面不断上升，直到该附加压力与重力平衡

其中为毛细管中液面高于初始液面的高度，括号中的为液体密度减去空气密度的差值，以下记作

于是我们可以得到液面的最终高度：

结论：表面张力越大、毛细管半径越小、液体密度越小，液面的最终高度越高。

1、毛细管作用虽然对于植物的吸水有极大的帮助，但是在农业生产中毛细现象也会对农业生产的有负面影响。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。

2、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潮湿。

3、在水文学中，毛细现象常用来解释土壤对水的吸引力;在土壤中，水分会由较潮湿处移动到干燥处，即是毛细现象所致。

4、毛细现象也是眼泪能够自眼睛不断流出的必要因素。

5、现今某些材质的运动衣料，会透过毛细现象吸汗。

6、化学家常利用毛细现象来进行薄板层析(薄板色谱分析)。

7、自来水笔的笔管也是通过毛细现象维持笔头湿润

8、纸巾即是透过毛细现象吸收液体，其充满细孔的材质使得液体能够被纸巾吸收。

9、海绵有非常多的细小孔洞(相当于毛细管)，这使得海绵能够吸收大量的液体。

10、蜡烛芯将蜡引到火附近。

空调中毛细管的功能是将冷凝器来的高压氟利昂制冷剂节流降压成低压氟利昂制冷剂，而后到蒸发器中汽化吸热，实现制冷过程。制冷剂通过毛细管产生的压力降随毛细管长度，内径及内壁粗糙度而变，毛细管越长、内径越细和内壁越粗糙，则产生的压力降越大。

每一台空调器都配有一根与制冷系统匹配的毛细管。制造厂对每一根毛细管的流量均做测定，所以在维修空调器时，不能随意更换。

空调器蒸发温度和蒸发压力的调整，可以用改变毛细管长度或内径的方法来达到。若要提高蒸发温度，可以缩短毛细管的长度或增加毛细管的内径;若要降低蒸发温度，则可加长毛细管的长度或减少毛细管的内径。

在日常工作中，有些人误认为增加毛细管的直径，就可增加制冷剂的流量，从而使空调器的制冷量增加。

但事实上并非如此，毛细管的内径增加，使制冷剂通过毛细管的压降减少，从而导致其蒸发温度上升，使空气与制冷剂热交换温差缩小，因而影响换热效果，使空调器制冷量下降。

所以每一台空调器出厂时，都要配上一根与制冷系统完全匹配的毛细管，以使空调器在规定的制冷量测试工况下获得最大的制冷量。若随便更换，则必然会使毛细管与制冷系统不匹配，从而使制冷量下降。