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輸送到樹梢，以及水在含水層的移動。工業和商業中的例子包括是由提取和橫向流家庭診斷測試。在日常生活中，使用吸水性廚房紙巾有效地清潔液體溢出是基于毛細作用的。
1、當自由能變化為負時，毛細作用是自發的
毛細作用是表面自由能的最小化引起的。楊氏方程描述的接觸角和表面（界面）自由能的關系如下：
其中γlv、γsv和γsl分別是氣液界面、氣固界面和液固界面的自由能。
當一部分毛細管被潤濕，氣固接觸接觸的表面積（△A）降低，同時產生了相同面積的固液接觸區域，而自由能的改變（△E）則與上述相關：
將自由能的改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，接觸角<90°這意味著浸潤毛細管的自由能變化為負，即發生自發填補。
2、毛細作用可用毛細壓力來理解
毛細作用也可用毛細壓力來理解。在所有彎曲的液體界面都存在一個壓強差，叫做拉普拉斯壓強，它是由界面上液體分子間的不平衡力引起的。對于具有圓形截面（半徑為r）的孔隙，毛細管壓力為：
由此可見，接觸角越小（孔隙越親水），毛細壓力越大，毛細作用越強。孔隙越小，毛細作用越強。因此，在特征尺寸遠遠大于1mm的宏觀系統中，毛細填充作用并不是主要因素。表面張力對毛細壓力的影響更為復雜：一方面，毛細壓力與表面張力成正比；另一方面，高表面張力的液體通常也具有高接觸角，這也降低了毛細壓力。需要強調的是，理解上述毛細作用的兩種方法（自由能變化或毛細壓力）是對同一物理現象的兩種描述，而非兩種不同的現象。
有了上述提到的信息，就可以根據液體的尺寸、接觸角和表面張力來預測液體在應用中的行為，如橫向流動醫學診斷測試。這種測試用于分析血液或者尿液樣本，這些樣本的表面張力低于水，但仍很高。因此，在這種測試中使用的材料必須是非常親水的，可以依靠毛細管填充，例如玻璃、親水紙或親水聚合物。另一方面，在液體運輸的應用中，如乙醇（對聚合物的接觸角要小得多），即使是天生疏水性的聚合物也在具體應用中被使用。
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