毛细管作用,也称为毛细管填充或毛细作用,意味着的自发流动液体填满小毛细血管或毛孔。毛细上升一个著名的例子是:当一个小直径的玻璃毛细管水,毛细管内的水位高于水外管的水平。这种现象是由表面张力驱动的力量,这就是为什么毛细管越小,越高水位会上升。
毛细管作用不仅适用于水中,但也同样适用于任何液体:
水、油、有机溶剂、生物体液,等。毛细管作用有重要的作用在许多自然,工业和商业流程。自然过程的例子包括水的运输从树木的根树梢,在含水层水的运动。工业和商业过程的例子包括石油开采和侧流诊断测试。在日常生活中,吸收剂的使用厨房毛巾有效清洁液体泄漏是基于毛细管作用。毛细管作用是由表面自由能的最小化。杨氏方程描述的关系接触角θ和表面(界面)免费系统的能量为:
γlv* cos(θ)=γsv- - - - - -γsl,
位置和γlv,γsv和γsl自由能的液汽,solid-vapor,固液界面。
当一个新的部分的毛细管是湿的,一些solid-vapor表面积(ΔA)失去了以前干的通道,同时相同数量的创建新的固液界面区域。自由能的改变(ΔE)与这有关
ΔE =(γsl- - - - - -γsv)*ΔA。
自由能变化与接触角,我们应用杨氏方程得到
ΔE = -γlv* cos(θ)*ΔA。
亲水表面,接触角θ< 90°这意味着润湿毛细血管的自由能变化为负即填补自发进行。
毛细管作用也可以理解的毛细管压力。有一个压力差,叫做拉普拉斯压力,所有弯曲的液体界面引起的不平衡力液体分子之间的接口。孔隙的情况下与一个圆形截面半径(r)的毛细管压力
P帽= 2γlv* cos(θ)/ r。
由此,我们看到,接触角越低越高(越亲水孔隙)毛细管压力和毛细管作用越强。我们也看到,较小的孔隙的毛细作用越强。出于这个原因,毛细管填充并不是一个主要因素在宏观系统性能尺寸远远大于1毫米。表面张力对毛细管压力的影响更复杂:一方面,表面张力的毛细管压力成正比。另一方面,高表面张力的液体通常也有更高的接触角,降低毛细管压力。应该强调,上述两种方式了解毛细管作用(自由能变化或毛细管压力)是两个相同的物理现象的描述,而不是两种不同的现象。
根据这些信息,可以预测液体在应用程序的行为,如横向流医疗诊断测试,基于维度,接触角和表面张力的液体。这样的测试是用于分析如血液或尿液样品的表面张力低于水,但仍相当高。因此,材料用于这些测试需要非常亲水可靠毛细管灌满水,例如,玻璃、亲水纸或hydrophilized聚合物。另一方面,在应用液体运输如乙醇(接触角向聚合物要低得多),甚至可以利用固有的疏水性聚合物。
