毛细现象与永动机的思考

毛细现象的原理
毛细现象是液体在细小孔道或毛细管中产生的特殊现象。

其原理可以归结为两种力的竞争作用：表面张力和重力。

首先，液体表面的分子存在着内部的吸引力，即表面张力。

这种张力使得液体表面尽量减少表面积，使得其呈现出球形或近似球形的形状。

当液体与细小孔道接触时，表面张力使得液体分子在孔道中靠近表面相互吸引，产生了极小的液体压强。

这种液体压强随着孔道直径的减小而增大。

其次，重力对液体也起到一定影响。

液体存在陆地引力，即地球引力，使得液体向下运动。

如果孔道太大，液体将受到重力的主导，快速向下流动，不会出现明显的毛细现象。

然而，当孔道足够细小，液体表面张力的效应开始凌驾于重力之上。

这时，液体分子会在孔道中发生一系列协调运动，液体会逆流上升，甚至能够靠近垂直上升。

因此，毛细现象的发生是由表面张力和重力之间的相互作用决定的。

表面张力使得细小孔道中的液体分子互相靠近，形成了稳定的液体柱。

而重力趋向于将液体向下拉，在孔道足够细小的情况下，表面张力能够克服重力，维持液体的垂直上升。

通过控制细小孔道的直径，可以调节毛细现象的发生与否。

当孔道直径较大时，重力的作用较大，液体会快速流出，不会形成毛细。

当孔道直径足够小，液体在孔道中能够形成稳定的液体柱，即呈现出明显的毛细现象。

一种第一类永动机的设计错误分析李 杰(商丘医学高等专科学校公共学科部,河南商丘476000)摘 要:分析了一种根据毛细现象原理设计的永动机的错误原因。

指出,由于毛细管顶部表面层接触角大于零导致表面层面积减小、表面层张力减小,致使毛细管内液体实际上升高度减小,故而此第一类永动机的设计是不可能实现的。

关键词:毛细现象;永动机;接触角中图分类号:O552.4+2 文献标志码:A 文章编号:1008 7613(2007)05 0023 030引言在生活中,我们常可以看到一些毛细现象,毛细现象的原理在实际的生产中也得到了多方面的应用。

例如,将内径很小的玻璃管(毛细管)插入水中,这时管子内部的水面要上升到高于管外水面的某一高度。

管内径越小,管内外水面的高度差就越大。

笔者在给学生介绍毛细现象时,曾引起一位学生的极大兴趣。

课后,他告诉我,他利用毛细现象原理设计了一台第一类永动机。

我们知道第一类永动机是不可能造成的,因为第一类永动机是违背能量守恒定律的[1,2],他的设计一定是错误的,但重要的是找出错误,以便说服学生,激发学生的创新热情,培养学生的创新精神。

1根据毛细现象原理设计的永动机利用毛细现象原理设计的永动机的原理图如图1所示。

在地面上放置一个装满水的大水盘,水盘里放有许多彼此平行且直立的内径很小的玻璃制成的毛细管,为了方便地说明问题,取毛细管的内半径为r=10-5m,由于水对玻璃毛细管来说是浸润液体,因此,水会沿着毛细管内壁上升,其上升的高度由下式H=2 cosgr(1)决定[3,4,5]。

式中水的密度 =103kg m3,毛细管的内半径r=10-5m, 是液体的表面张力系数,当温度为20 时,对于水来说, =72.75 10-3N m; 为接触角,由于水完全浸润玻璃,故 =0o,公式简化为H=2gr(2)将上述数据代入公式(2)(g取10m s2)可得:H=2 72.75 10-310-3 10 10-5= 1.46m图1 永动机设计模型23第21卷第5期新乡师范高等专科学校学报Vol.21,No.5 2007年9月 JOURNAL OF XINXIANG TE ACHERS COLLEGE SEP,2007收稿日期:2007 05 11作者简介:李杰(1955 ),男,河南睢县人,商丘医学高等专科学校公共学科部高级讲师,主要从事医学物理学方面的研究工作。

毛细现象原理
毛细现象是液体在细小管道或细小孔隙中展现出的特殊现象。

其主要原理可以归结为三个方面。

首先，韦达效应是毛细现象中的重要原理之一。

根据韦达效应，当液体在细小管道中流动时，由于管道壁与液体之间存在的内聚力，液体会在细小管道中上升，形成上升的现象。

这种上升现象正好可以解释毛细管液体的升高。

其次，液体的自重和压强差也是毛细现象的原理之一。

由于液体的自重会形成液体的下降压强，而液体在细小管道中由于液体的封闭状态会形成额外的压强，这两种压强差形成的合力会导致液体在细小管道中上升。

最后，毛细现象还与表面张力有关。

表面张力是指处于液体表面上的分子间存在的内聚作用力，其方向平行于表面。

当液体进入细小管道时，液体表面附近的分子将会受到相邻分子和管道壁分子的引力，从而形成一个向上的力。

这个垂直于表面的力使得液体沿细小管道上升。

综上所述，毛细现象是由韦达效应、液体的自重和压强差，以及表面张力共同作用的结果。

这些力的合力使得液体在细小管道中表现出升高的现象，从而展现出毛细现象。

毛细现象的实验原理应用1. 毛细现象的定义毛细现象是指液体在细小管道或细孔中由于表面张力的作用而上升或下降的现象。

2. 实验原理2.1 表面张力的作用液体由于分子间的相互作用，使液体表面遭受到一个平行于表面的立体张力，称为表面张力。

2.2 液体在细毛细管内上升的原理当细毛细管插入液体中后，液体因表面张力而在细毛细管内上升。

液体上升的高度与细毛细管的半径、液体的密度以及液体与管壁间的相互作用有关。

2.3 液体在细毛细管内下降的原理当细毛细管插入液体中并将上端暴露在外界气压下时，液体因表面张力而在细毛细管内下降。

液体下降的高度与细毛细管的半径、液体的密度以及液体与管壁间的相互作用有关。

3. 实验应用3.1 温度计的工作原理温度计是利用毛细现象来测量温度的仪器。

温度计中的细毛细管内充满了染色的液体，通过观察液体在毛细管内的上升或下降来判断温度的变化。

3.2 纸巾吸水的原理纸巾具有较大的表面积，纸巾中的纤维间有许多密集的细孔。

当纸巾接触到水时，水因表面张力而在纸巾的细孔内上升，从而起到吸水的效果。

3.3 植物输送水分的机制植物根部通过根毛吸收土壤中的水分，然后水分通过植物细胞间的毛细管效应在植物体内上升，通过液压力作用将水分输送到树叶等部位。

3.4 针管抽水的原理使用针头吸入液体时，液体因表面张力而被上拉，形成液柱，可实现抽水过程。

这种原理在医疗注射、液态传输系统中得到广泛应用。

3.5 油墨上升的现象当一根细毛细管的一端浸入油墨中时，油墨因表面张力的作用而在细毛细管内上升，可以通过观察油墨上升的高度来研究液体的表面张力性质。

3.6 毛细管电渗析技术毛细管电渗析技术是用毛细管与电渗析法相结合的一种分离纯化技术。

利用毛细管内液体上升的原理，将被分离物溶液置于毛细管内，通过加电场使被分离物向电极方向运移，实现纯化的目的。

4. 结论毛细现象是液体在细小管道或细孔中由于表面张力的作用而上升或下降的现象。

该现象的实验原理应用包括温度计的工作原理、纸巾吸水原理、植物输送水分机制、针管抽水原理、油墨上升现象和毛细管电渗析技术等。

毛细现象原理
毛细现象是一种在微观尺度下非常普遍的现象，它对于液体在细小管道或多孔
介质中的行为具有重要影响。

毛细现象的原理关键在于表面张力和毛细管内外压力之间的平衡。

在这种现象下，液体在细小管道中能够上升或下降，形成一系列有趣的现象和应用。

表面张力的作用
表面张力是液体内部分子间相互吸引力导致的结果，它使得液面能够收缩成最
小表面积的形态。

在细小管道中，表面张力将导致液体在管道中形成凸曲Meniscus，这种形态使得管道内的液面呈现出曲率。

不同液体的表面张力不同，这也导致了不同液体在毛细管中表现出不同的现象。

毛细管内外压力的平衡
毛细现象中，液体在细小管道中的上升或下降是由毛细管内外的压力平衡所决
定的。

毛细管内外的压力差异使得液体能够克服自身的重力并在细小管道中运动。

这种平衡关系对于液体在微小空间中的输送和分离具有重要作用，例如在微流控系统中的应用就广泛涉及到毛细现象的原理。

毛细现象的应用
毛细现象不仅是一种有趣的物理现象，也被广泛应用于实际生产和科研领域。

例如，毛细管作为一种微型流量测量器件，可以应用于医疗器械和化工领域；毛细管色谱技术则利用毛细现象来实现物质分离；此外，微纳米流体力学领域的研究也大量利用毛细现象来探究小尺度流体行为。

总的来说，毛细现象是一个值得深入探讨的物理现象，它不仅丰富了我们对液
体行为的认识，也为微型技术和应用提供了重要的基础。

通过理解毛细现象的原理，我们可以更好地利用这一现象，推动科技的发展和创新。

毛细现象的原理
毛细现象是液体在细小管道或孔洞中表现出的一系列特殊的物理现象。

其具体原理涉及液体表面张力、毛细作用和毛细管内压强等因素的相互作用。

液体表面张力是指液体表面上的分子间的相互吸引力。

当液体接触到一个细小的管道或孔洞时，液体分子在管道壁上会发生吸附，形成分子间的相互吸引力。

这种吸附现象使得液体分子在管道内部会形成一个封闭的液体界面。

毛细作用是指液体在细小管道或孔洞内由于表面张力的作用而形成的升降现象。

液体表面张力使液体在细小管道内形成一个凹陷面，此时管道内部的压强较低，而管道外部的压强较高。

这种压差会使液体向管道内部移动，直到内外的压强平衡，形成毛细现象。

毛细现象的大小与细管或孔洞的半径有关，当半径很小时，由于升降现象的作用，液体能够在细微的空隙中上升或保持一定高度。

而当半径较大时，液体表面张力不足以克服重力的作用，不能形成明显的毛细现象。

毛细现象在自然界和工业应用中具有广泛的应用。

例如，植物根系中的毛细根可吸收地下水分供植物生长需要。

又如，纸巾或棉花吸水的能力依赖于毛细现象的作用。

在实验室中，毛细现象也经常用于测量液体的粘度、表面张力以及纤维材料的毛细管渗透性等性质。

前几日，在和刘老师讨论《水往上走》的教案时，多次说到毛细现象。

此为何意呢？小学科学课本中的解释是水沿着物体的微细孔隙往上走的现象；辞海中的解释是把直径很细的管子插到液体里，管内的液面上升或下降，造成管内液面比管外的液面高或低的现象。

百度词条的解释更为详尽，说是毛细管插入浸润液体中，管内液面上升，高于管外液面；毛细管插入不浸润液体中，管内液面下降，低于管外液面的现象。

此处浸润不浸润指的是液体能不能附着在固体的表面，能则叫浸润，比如水对玻璃；不能则叫不浸润，比如水对石蜡。

通常我们所讲的毛细现象是指水沿着毛细管往高处走的现象。

比如毛巾吸水、地面返潮都是毛细现象。

这种现象发生的动力来源于附着固体的水分子高于液面，在毛细管内形成凹形液面。

液体表面类似绷紧的橡皮膜，如果液面是弯曲的，它就有变平的趋势。

这种趋于平衡的趋势，使得凹形液面的高出部分对下面的液体产生一个向上的拉力，当向上的拉力与管内液柱所受到的重力相等时，液柱便停止上升，液面趋于平衡。

可见毛细管内径越小，管内液柱就会越高，如此才能使拉力与重力相互抵消。

毛细现象应属生活小百科知识，大众科学素养范畴内的必备知识储备。

然而据调查，普通民众仅是知道毛细现象是生活中的普遍现象，对事实耳熟能详并能熟练的趋利避害，但对这一现象的来龙去脉却不甚寥寥。

生活中，山民会利用上水石制作一方能养植物的山石盆景出售；老农会在雨后的恰当时间里到田地里锄地松土，他知道这样可以保水保苗。

他不清楚的是锄地松土行动仅是破坏了土壤表层的毛细管，从而减少了水分的蒸发，保持了土壤中的水分，所以才利于农作物的生长。

普通民众的实用知识大多来于社会生活的实践积累，有着极强的实用性；知识群体的知识积累往往来源于间接渠道，理论指导性更强。

在某些情况下，他们更善于用所掌握的知识体系进行推断。

评课阶段，就遇到了这种自以为是的推断式发言：用吸管喝奶属毛细现象，把吸管放在水中也会发生毛细现象。

真是高人，竟不知用吸管喝奶是借助了大气的压力；至于后者，不知其推断依据从何而来，是经验还是想象不得而知。