
【建】 capillary ascent; capillary elevation; capillary rise
毛细上升(Capillary Rise)是流体力学中的基础物理现象,指液体在狭窄管道(毛细管)或孔隙介质中因表面张力作用自发上升的现象。其英文术语对应为“capillary action”或“capillary rise”,在土壤科学、植物生理学、材料工程等领域具有重要应用。
原理与公式
根据杨-拉普拉斯方程,毛细上升高度($h$)与液体表面张力($gamma$)、接触角($theta$)、液体密度($rho$)及重力加速度($g$)相关,数学表达式为:
$$
h = frac{2gamma costheta}{rho g r}
$$
其中$r$为毛细管半径。该公式由Thomas Young和Pierre-Simon Laplace提出,被收录于经典教材《流体力学基础》。
实际应用
权威研究进展
2023年《自然·物理学》发表的论文通过X射线成像技术,首次量化了非均匀毛细管中液面波动规律,为精准预测毛细运动提供了新模型。
毛细上升是指液体在狭窄的毛细管或多孔材料中,因表面张力和浸润性作用自发上升的现象。以下是详细解释:
毛细上升源于液体与固体管壁间的相互作用。当液体对管壁浸润(如玻璃管中的水)时,液体表面呈凹面,表面张力的合力方向向上,形成附加压强,推动液柱上升;若液体不浸润管壁(如玻璃管中的汞),液面凸起并下降。
毛细上升高度可通过以下公式计算: $$ h = frac{2gamma costheta}{rho g r} $$ 其中:
注:若已知液面曲率半径$R$,公式可改写为$h = frac{2gamma}{rho g R}$,且$r = R costheta$,两式本质相同。
若将玻璃细管插入水中($theta=0^circ$),水的表面张力$gamma=0.0728 text{N/m}$,管半径$r=0.1 text{mm}$,则上升高度: $$ h = frac{2 times 0.0728 times 1}{1000 times 9.8 times 0.0001} approx 0.148 text{m} $$ 即约14.8厘米。
如需进一步了解实验方法(如渗水试验),可参考地质工程中的单环法、双环法等。
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