毛細管効果とは、液体が重力などの外力の助けを借りずに、または逆に、狭い空間を流れる能力です。この効果は、絵の具が絵筆の毛の間、細いチューブ、紙、石膏、木やコルクなどの多孔質の物体に引き上げられたときに見ることができます。
毛細管現象は、液体と空気の界面と液体と固体の界面の間のエネルギーの違いから生じます。固液界面のエネルギーが高いほど、毛細管力が高くなります。
これはラプラスの法則として知られており、接触角が与えられたときに毛管上昇を計算するために使用できます。
接触角は濡れ性の尺度であり、流体が固体または液体と接触する角度として定義されます。接触角が大きいということは、接触角が小さい場合よりも、水を引き上げるのにより多くのエネルギーが必要になることを意味します。たとえば、未処理のペーパー タオルよりもワックス ペーパー タオルに水を引き上げるには、より多くのエネルギーが必要です。
毛細管現象に影響する要因
多くの要因が毛細管現象に影響します:
- 表面張力: 液体の表面が弾力性のある皮膚で覆われているかのように振る舞うのは、この性質によるものです。この弾力性のある「皮膚」は、表面の分子とその下の分子の間の引力によるものです。
- 湿潤: 濡れは、液体が固体表面を横切って流れる能力として定義されます。 (油のように) 広がらず滴を形成する液体は濡れませんが、表面に広がると (水のように) 表面を濡らします。
- 完全濡れ: 液体が多孔質固体のすべての細孔を満たしている場合、完全な湿潤により毛細管現象が発生したと言えます。
毛細管現象中に作用する力
毛細管現象には 3 つの力が関係しています。
- 液体と固体の間の粘着力により、液体がチューブの側面に引き上げられます。ほとんどの場合、接着は凝集よりも強いため、液体はチューブの外側に留まりますが、液体の分子間にはまだある程度の引力があります。
- 液体の分子間の凝集力によって分子が押し合わされ、メニスカスが形成されます。凝集力は接着力よりも強いため、チューブの底にある分子は上方に引っ張られます。これにより、チューブの両側から上向きに湾曲する凹状のメニスカスができます。
- 毛細管現象に影響を与える 3 つ目の要因は、表面張力です。これは、液体分子が他の物質や空気との接触を最小限に抑えるために平らな膜に配置されるときに発生する現象です。
これらの力は毛細管現象にどのように影響しますか?
毛細管現象の基本的なメカニズムは、巨視的なレベルでは次のように理解できます。液体の表面が固体の境界と接触すると、液体はその境界に引き寄せられます。例として、ガラス管を水に入れ、一方の端を喫水線より上に、もう一方の端を水線より下にすると、水はガラス管の壁に付着する傾向があります。これは、水中の凝集力が、水とガラスの間の接着力よりも大きいためです。
この効果は、あらゆるタイプの液体で機能し、異なるタイプの液体は毛細管現象の異なる最大高さを示します。たとえば、水銀の最大高さは水よりも高くなります。これは、ガラスなどの物質への付着力が水よりも弱いためですが、それ自体の粒子間の凝集力が強いためです (密度が高いため)。
毛細管現象は、2 つの物質間の凝集力と接着力の違いによって発生します。たとえば、水は粘着性が高く、つまり、水自体にくっつきますが、ガラスなどの他の物質との接着性も強いです。水がチューブの上部で空気と出会うと凝集力が低下します。水が別の液体と接触すると、付着が少なくなります。この違いにより、水のような液体の表面に張力が生じ、その張力により液体は狭い空間で重力に逆らって動くことができます。
結論
毛細管現象は表面張力によるものです。表面張力はすべての液体に存在します。これは、液体の表面にある分子間の引力によって引き起こされます。界面の分子は、その上に分子がなく、すぐに隣接する分子への引力が弱くなります。
毛細管現象は、液体の表面の分子が隣接する物質の分子に引き寄せられるときに発生します。水分子は他の水分子に引き付けられます。この凝集力は、ガラスやプラスチックの表面に水を結合させる接着力よりも強力です。しかし、水が薄いチューブのような固い壁を持つ狭い水路に出くわすと、凝集力と接着力が連携して働き、毛細管現象によって水を上向きに引き寄せます。
