毛细现象原理及应用.doc

万物运行的奥秘期末论文

任课教师： 张寒洁
作者： 金涛
学号： 3130103882
班级： 工学1331
联系方式: 18868159912

毛细现象原理及应用概述

【摘要】 毛细现象（又称毛细管作用）是指液体在细管状物体内侧，由于内聚力与附着力的差异、克服地心引力而上升的现象。毛细管插入水中，管内液面上升，高于管外；毛细管插入水银中，管内液体下降，低于管外的常见现象，常被用作直观地描述毛细现象。其实，毛细现象在我们的生活中还有很多其他的应用，本文将对此做出简要的描述和解释。

【关键词】 毛细现象 浸润与不浸润 液体表面张力 能量转化 生活应用

1.问题引入
当昏黄的煤油灯燃烧时，我们看到摇曳的灯光，你可曾想过，灯座里的灯油是如和自动流入灯芯的呢？当运动后汗流浃背，我们用纸巾擦拭额头的汗水时，你可曾想过汗水是如何牢牢锁在纸巾里而不露出呢？当我们漫步在丛林，仰望参天的大树时，你可曾想过，树冠所需要的宝贵水分是如何运送到树顶的呢？其实这些现象的都是毛细作用的结果。灯芯里的棉丝交织在一起，纸巾里的纤维相互交错，树干里的木质纤维致密发达，这些材料或生理结构形成了毛细管，在毛细作用下水和油等液体得以克服地球的引力，顺着材料逐渐上升。

2.理论解释

2.1概念介绍

2.1.1浸润与不浸润
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。
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。对玻璃来说，水银是不浸润液体。
浸润与不浸润是相对的。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。
浸润和不浸润现象，是分子力作用的表现。当液体与固体接触时，在接触处形成一个液体薄层，叫做附着层。附着层里的分子受到固体分子的吸引，如果受到固体分子的吸引比较弱，附着层里的分子就比液体内部稀疏，在附着层里就出现了一种收缩力，这里跟固体接触的液体表面有缩小的趋势，形成不浸润现象。相反，如果受到的固体分子的吸引相当强，附着层里的分子就比液体内部更密，在附着层里就出现液体相互推斥的力，这时，跟固体接触的液体表面有扩展的趋势，形成浸润现象。

2.1.2液体表面张力
由于分子间存在引力作用和斥力作用，两种力的作用范围不同，距离较近的分子斥力作用占优势，距离较远的分子引力作用占优势。液体跟气体接触的表面存在一个薄层，叫做表面层，表面层里的分子比液体内部稀疏，分子间的距离比液体内部大一些，因此，分子间的相互作用表现为引力。这种引力使得液体表面层有缩小的趋势，所以我们把作用于液体表面，使液体表面积缩小的力，称为液体表面张力。
生活中我们看到树叶落入水中而没有完全浸入，细针漂浮在水面而不下沉，靠的就是这种液体表面张力。

2.1.3表面能
表面能的一种定义是，材料表面相对于材料内部所多出的能量。把一个固体材料分解成小块需要破坏它内部的化学键，所以需要消耗能量。如果这个分解的过程是可逆的，那么把材料分解成小块所需要的能量就小块材料表面所增加的能量相等，即表面能增加。通俗来说，同一材料，表面积越大，表面能越大。

2.2详细解释
为了更加直观的解释毛细现象的具体原因，我们以物理教学中常见的毛细管实验为例。
由于水对玻璃是浸润液体，所以在细玻璃管内水和管壁接触时会吸附在其表面。此外，由于水的表面张力的存在，边缘的水面会给中间部分的水面一个沿水面切向的拉力，这个拉力会克服液体所受的重力，使液面逐渐上升，直到这个拉力与水柱的重力平衡，此时水柱不再上升保持稳定。因此，水在毛细管内是高出液面以上，且液面呈下凹形。
由于水银对玻璃是不浸润液体，所以水银和管壁接触时，不会和管壁吸附。此时水银表面张力会阻碍水银表面“破裂”，所以，毛细管无法进入水银内部，因此毛细管插入水银中，内部液面在外部液面以下，且液面成上凸形。
生活中浸润现象比较常见，而不浸润现象比较少见，所以，毛细现象以浸润为主。
毛细作用中的液面张力和接触长度成正比，而克服的重力和体积成正比。所以，毛细管的粗细决定了毛细现象的明显程度。这就是毛细管越细，液面高度越高的原因。

3.误区引导：毛细现象中的能量转化
从表面上看，毛细现象中的液体是“自动”爬升至一定高度的，所以很久以前人们曾尝试利用毛细现象制作永动机，显然这是违背能量守恒定律的。那么，液面上升克服重力所积累的重力势能来自哪里呢？毛细现象涉及哪些能量转化呢？
毛细现象中，液面呈凹凸状，所以液体的表面能增加，而毛细管内液面高于管外，说明液体的重力势能也增加了。这两种能量的增加来源于液体分子内能的减小。液体分子在进入毛细管时会在管壁表面形成一层附着层，附着层的厚度只有一个分子的引力作用半径。这里的液体分子与管壁直接接触，和管壁上的固体分子之间有分子间的作用力，同时这里的液体分子和其他的液体分子之间也有分子间作用力。这样附着层中的液体分子受到的引力作用就比内部的液体分子更强，所以他们的能量就低于内部液体分子，这就是液体重力势能和表面能增加的来源。

4.毛细现象的应用
毛细现象渗透在我们生活中的很多方面，既有有利的，可以为人们生产生活提供便利的一面，也有给人们生活带来不便和烦恼的一面。现在，我就几个典型事例来介绍一下生活中的毛细现象。
如果哪天晚上我们洗澡，一不小心把干净衣服的一角拖在地上，等我们洗完澡要换衣服时就会看到衣服湿了很大一块，不得不重新再换。这是因为地面上的水顺着衣料内部的毛细结构不断往上移动，棉麻类衣料尤为明显。相反，这一弊端也可以转化为优势。如果较长时间在外， 如何解决家中浇花的“难题”呢？ 离家之前，在花盆的上方盛一盆水， 在盆沿搭上一条毛巾，一端没入盆内水中，另一端放在花盆上，盆内的水就会一滴一滴地逐渐“被毛细”到花盆中。
如果哪家的浴室和卧室隔壁，而且浴室墙壁的防水措施没有做到位，那么这家人就会经常抱怨柜子发霉等问题。因为浴室里的水会通过墙壁内部的毛细管道“穿越”到卧室墙面，造成墙面涂料脱落、霉变等一系列问题。同样，装修好不久的房子，内墙脚老是湿漉漉的常常是由于地面密封措施没做好，地下水上“爬”而造成的。
在农业生产领域，毛细现象也有应用。干旱时，要锄松庄稼地破坏了土壤中的毛细管，减少了水分的蒸发，从而保存地下的水分，供庄稼吸收；相反，涝灾时应用滚子压紧地面，形成更多更细的毛细管，以便把地下的水分引上来。
总之，毛细现象给我们带来了很多方便，没有它我们甚至不能用毛巾洗脸，不能享受牛奶泡饼干的乐趣；毛细现象也给我们造成诸多困扰，因为它，我们常常忍受着家居潮湿的烦恼。但我们只要怀着一颗对身边事物的无穷好奇心和求知欲，勤于思考生活的一些现象，我们就会在这种探寻中找到更多类似于毛细现象的有趣物理现象，科学的魅力往往蕴于其中。

【参考文献】
《浸润及毛细现象的能量来源》 周向玲
《浸润与不浸润现象探析》 关丽 赵力 高萍
《神奇的表面张力和毛细现象》 赵理阳
《毛细现象的表面热力学讨论》 刘李阳
《润湿现象和毛细现象的热力学描述》 郭子成 罗青枝 荣 杰