什麼是毛細現象?
毛細現象(毛細上升)指的是液體在細管中自動向上攀升(或被下壓)、克服重力的現象。它源自附著力(液體與管壁之間)與內聚力(液體分子彼此之間)的相互拉鋸,並透過表面張力表現出來。本計算器採用朱林定律(Jurin's Law),預測液體在細圓管中達到平衡時的上升高度。
如何使用本計算器
請輸入液體的表面張力 \(\gamma\)(單位 N/m)、液體與管壁之間的接觸角 \(\theta\)(單位:度)、液體密度 \(\rho\)(kg/m³)、管的內半徑 \(r\)(公尺),以及重力加速度 \(g\)(預設值 9.81 m/s²)。計算器會同時以公尺與毫米兩種單位回傳上升高度。當接觸角小於 90° 時,結果為正值,代表液面上升;大於 90° 時(例如水銀在玻璃管中)則為負值,代表液面下降。
公式說明
朱林定律的公式為
$$h = \frac{2\,\gamma\cos\!\left(\theta\right)}{\rho\;g\;r}$$分子代表表面張力沿管壁圓周向上拉的合力,再以 \(\cos\theta\) 投影到垂直方向;分母則是單位體積的重量乘以管半徑。值得注意的是,高度與半徑成反比──管子越細,液體爬升得越高。
範例試算
以水在玻璃管中為例:\(\gamma = 0.0728\ \text{N/m}\)、\(\theta = 0°\)(\(\cos 0 = 1\))、\(\rho = 1000\ \text{kg/m}^3\)、\(r = 0.0005\ \text{m}\)、\(g = 9.81\ \text{m/s}^2\)。代入後
$$h = \frac{2 \times 0.0728 \times 1}{1000 \times 9.81 \times 0.0005} = \frac{0.1456}{4.905} \approx 0.02968\ \text{m}$$約等於 29.68 mm。
常見問題 FAQ
為什麼水會上升、水銀卻會下降?水能潤濕玻璃(\(\theta < 90°\),\(\cos\) 為正值),因此向上爬升;水銀無法潤濕玻璃(\(\theta \approx 140°\),\(\cos\) 為負值),所以液面反而被壓低。
管徑大小有差嗎?當然有──高度與 \(1/r\) 成正比,半徑減半,上升高度就會加倍。
應該使用什麼單位?建議全部採用 SI 國際單位(N/m、kg/m³、公尺),結果即以公尺呈現;計算器同時也會換算成毫米。