2021-07-26
毛細管作用并不僅僅在水中存在，在油相、有機溶劑和生物液體中均有存在。毛細作用在許多自然、工業和商業過程中起著重要的作用。自然界中的例子有水從樹根被(bei)輸送到樹梢，以及水在(zai)含水層(ceng)的移動。工(gong)業(ye)和商業(ye)中的例子包括是(shi)由(you)提取(qu)和橫(heng)向流(liu)家庭(ting)診斷(duan)測(ce)試。在(zai)日(ri)常生活(huo)中，使(shi)用吸(xi)水性(xing)廚房紙巾有(you)效(xiao)地(di)清(qing)潔液體(ti)溢出(chu)是(shi)基于毛細(xi)作用的。
1、當自(zi)由能(neng)變(bian)化為負時，毛(mao)細作用是(shi)自(zi)發(fa)的
毛細作(zuo)用(yong)是表面自(zi)由能的(de)(de)最小(xiao)化引(yin)起的(de)(de)。楊氏方程描述(shu)的(de)(de)接觸角和(he)表面（界面）自(zi)由能的(de)(de)關系如下(xia)：
其中γlv、γsv和γsl分(fen)別是(shi)氣液界(jie)面、氣固界(jie)面和液固界(jie)面的(de)自(zi)由能。
當一部(bu)分毛細管被潤濕，氣固(gu)接(jie)觸接(jie)觸的表面積（△A）降低(di)，同時產生了相同面積的固(gu)液接(jie)觸區域(yu)，而(er)自由能的改(gai)變（△E）則與上(shang)述相關(guan)：
將(jiang)自(zi)由能的改(gai)變與接觸角聯系起來，則使用楊氏方程可得到下述表述：
對于親水表面來講(jiang)，接觸角<90°這意(yi)味(wei)著(zhu)浸潤毛細管(guan)的自由能變(bian)化為負(fu)，即(ji)發(fa)生(sheng)自發(fa)填(tian)補。
2、毛(mao)細作用(yong)可用(yong)毛(mao)細壓力來理解
毛細(xi)作用也(ye)可用毛細(xi)壓(ya)(ya)力(li)(li)來理解(jie)。在(zai)所有(you)(you)彎曲的(de)(de)液(ye)體(ti)界面都存在(zai)一個(ge)壓(ya)(ya)強(qiang)差，叫(jiao)做拉普拉斯壓(ya)(ya)強(qiang)，它是(shi)由界面上液(ye)體(ti)分子間的(de)(de)不平衡力(li)(li)引起的(de)(de)。對(dui)于(yu)具有(you)(you)圓(yuan)形(xing)截面（半徑為r）的(de)(de)孔(kong)隙(xi)，毛細(xi)管壓(ya)(ya)力(li)(li)為：
由此可見，接觸角(jiao)越(yue)小（孔隙(xi)越(yue)親水），毛(mao)(mao)細(xi)(xi)壓力(li)(li)越(yue)大，毛(mao)(mao)細(xi)(xi)作(zuo)用越(yue)強(qiang)。孔隙(xi)越(yue)小，毛(mao)(mao)細(xi)(xi)作(zuo)用越(yue)強(qiang)。因此，在特征尺寸遠遠大于1mm的(de)宏觀系(xi)統中，毛(mao)(mao)細(xi)(xi)填(tian)充作(zuo)用并不是主要(yao)因素。表面(mian)張(zhang)(zhang)力(li)(li)對毛(mao)(mao)細(xi)(xi)壓力(li)(li)的(de)影響更(geng)為復(fu)雜：一方(fang)(fang)面(mian)，毛(mao)(mao)細(xi)(xi)壓力(li)(li)與表面(mian)張(zhang)(zhang)力(li)(li)成正比；另(ling)一方(fang)(fang)面(mian)，高表面(mian)張(zhang)(zhang)力(li)(li)的(de)液體通(tong)常(chang)也具有高接觸角(jiao)，這也降(jiang)低(di)了毛(mao)(mao)細(xi)(xi)壓力(li)(li)。需要(yao)強(qiang)調的(de)是，理解上述(shu)毛(mao)(mao)細(xi)(xi)作(zuo)用的(de)兩種方(fang)(fang)法（自由能變化或毛(mao)(mao)細(xi)(xi)壓力(li)(li)）是對同一物(wu)理現(xian)象(xiang)的(de)兩種描(miao)述(shu)，而非兩種不同的(de)現(xian)象(xiang)。
有了上述提到的(de)(de)信(xin)息(xi)，就可以(yi)根據液(ye)(ye)體(ti)的(de)(de)尺寸、接觸(chu)角和表(biao)面(mian)張力來(lai)預測(ce)液(ye)(ye)體(ti)在應用(yong)中(zhong)的(de)(de)行為，如(ru)橫向流動醫學診斷測(ce)試。這(zhe)(zhe)種測(ce)試用(yong)于分析血(xue)液(ye)(ye)或者尿液(ye)(ye)樣本，這(zhe)(zhe)些樣本的(de)(de)表(biao)面(mian)張力低于水，但仍(reng)很高(gao)。因此，在這(zhe)(zhe)種測(ce)試中(zhong)使(shi)(shi)用(yong)的(de)(de)材料必須(xu)是非(fei)常親水的(de)(de)，可以(yi)依靠毛(mao)細(xi)管填充(chong)，例如(ru)玻璃、親水紙或親水聚(ju)合物(wu)。另一方面(mian)，在液(ye)(ye)體(ti)運(yun)輸(shu)的(de)(de)應用(yong)中(zhong)，如(ru)乙醇（對聚(ju)合物(wu)的(de)(de)接觸(chu)角要小得多），即使(shi)(shi)是天生疏(shu)水性的(de)(de)聚(ju)合物(wu)也在具體(ti)應用(yong)中(zhong)被(bei)使(shi)(shi)用(yong)。
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