你家毛巾為何能吸水？ - 科普寫作網路平台

「理解了表面張力的由來，我們就可以討論因表面張力而導致的現象——毛細現象了。

這種現象使得我可以吸水，荷葉上的水珠呈圓球狀地滾來滾去，吸管內的水位高於吸管外水位 ... 首頁國立自然科學博物館官網國立自然科學博物館文教基金會相關聯結 徵稿介紹 最新消息 熱門文章 寫作技巧 線上徵稿 桂冠獎精選 2013年文章 2014年文章-1 2015專題入選文章 2014年文章-2 2015年文章 2016年文章 2017年文章 2018年文章 2019年文章 2020年文章 2021年文章 2022年文章 首頁 >熱門文章> 你家毛巾為何能吸水？ 熱門指數: 5150 作者： 別人家小朋友 中文名稱： 你家毛巾為何能吸水？　  |第一版| 關鍵字： 毛細現象，表面張力   這一天，你在浴室裡剛洗完澡，在鏡子前面突然被自己的美貌震驚。

你驚訝於這個世界上怎麼會有如此完美的人，這樣子讓其他人情何以堪啊。

正當你一邊感歎一邊要拿起毛巾將濕漉漉的身體擦乾的時候。

  毛巾：   「且慢，你知道我為什麼能輕易地將你的身體擦乾嗎？你知道我為什麼會比許多物體都吸水嗎？」 「要理解其中的原理，我們首先要從液體的一種特性——表面張力說起。

你可能早已從其他地方聽說過這個名詞，那麼到底是什麼造成了表面張力？其實表面張力主要與分子位能和分子間作用力有關。

每一個物體都有表面張力，只是固體的密度太大，分子無法自由運動；而氣體的密度太小，分子都是高速地撞在一起後又迅速分開，很難觀察到表面張力。

而液體作為分子密度介於固體和氣體之間的物體，其分子密度既不會太大，也不會太過稀疏，從而使得這兩種分子特性最容易透過液體的表面張力表現出來。

」 （圖片來源：自繪）   「先從分子間作用力的角度分析吧。

我們知道，分子間有著引力，也有斥力。

在分子之間的距離較小的時候其斥力會稍大於引力，其合力表現為斥力；距離較大的時候引力大於斥力，其合力表現為引力。

如右圖，F為合力，r為分子間的距離，r0是合力為零時的距離。

一般上，這些分子的距離會保持在一個相對舒服的距離，也就是r0附近，從而使得液體本身趨於穩定的狀態。

而液體分子是傾向於內聚的，因此在表面的液體分子會比較稀疏，分子間的距離較大（大於r0），導致液體表面的合力表現為引力（你可以想像成一堆可愛的丸子不斷地往裡面擠，被擠到最外面的倒楣鬼只好緊緊地抓在一起），在液體表面的這種收縮力就叫表面張力。

」   （圖片來源：自繪）   「如果從分子位能的角度去看會稍微複雜。

簡單來說就是由於液體分子的位能為負值，而其位能的大小又和周圍的分子數量有關係：周圍分子數量越多，位能越小；周圍分子數量越少，位能越大。

當液體內部的分子四周都被其他分子包圍時，液體表面的分子卻只有下方有其他分子，從而使得液體表面的分子位能比液體內部的分子位能要大。

我們知道，由於一種叫熵的東西，自然界中一切物質都是盡可能趨於低能穩定的狀態。

因此表面的分子會拚命地往裡面擠，使得液體表面有一種收縮力。

這兩種分子特性使得液體表面一直處於一種收緊的狀態，試圖達到最小的表面積。

」   「生活中可以很輕易地觀察到表面張力的存在。

比如說從水龍頭上的水滴之所以總是紡錘形的，就是因為在重力將水滴往下拽的同時，表面張力使得水滴的上端收縮。

又比如說豉豆蟲和水黽可在水面上行走，就是因為它們夠輕，在表面張力的幫助下，它們只會使得液體表面有些許凹陷，而不會沉下去。

除此之外，迴紋針漂浮在水面也是因為表面張力的作用。

」   「理解了表面張力的由來，我們就可以討論因表面張力而導致的現象——毛細現象了。

這種現象使得我可以吸水，荷葉上的水珠呈圓球狀地滾來滾去，吸管內的水位高於吸管外水位。

首先我們要知道當液體接觸到固體表面的時候，會因固體表面的性質不同而大體呈現兩種形狀。

下圖以典型的玻璃和蠟作為例子：   （圖片來源：自繪）   我們先來討論在玻璃上的水滴。

由於玻璃的密度比水大，本身的分子比水密集，其表面張力大於水的表面張力（沒錯，固體也有表面張力的）。

導致與水接觸的地方出現橫向的拉力，因此水滴是傾向於完全攤開在玻璃表面上的，水的這種傾向有個好聽的名字，叫做浸潤。

然而為什麼水不會完全攤開，而是會形成那樣的形狀呢？別忘了水滴表面還有表面張力，它將水滴沒有接觸到玻璃的那一面收緊，於是就變成了那樣的形狀囉。

而蠟則剛好相反，它的表面張力比水小，因此水不但不浸潤蠟，相反還會被蠟『排斥』。

在這個時候水就會因為其自身的表面張力而收縮成一個球體，在蠟上面自由地滾來滾去。

明白了嗎？荷葉之所以可以不被水浸潤，就是因為表面上有一層生物蠟哦」 「浸潤現象是因為表面張力差而發生的，它使得一些液體對表面張力較大的固體有附著力，如水對玻璃和塑膠的附著力。

正是這種附著力導致了毛細現象的產生。

將一根塑膠吸管插入到飲料中，你會發現吸管內的水位比吸管外的水位要高。

原因就是附著力形成了一個向上拉的力，和水的重力平衡後的結果。

那麼我們可以由此推論出吸管越細，附著力就可以將水位拉到更高的位置。

」   「怎麼推論呢？我們先設液體的表面張力係數為k（表面張力係數的單位是牛頓每米，也就是平均每一米長度上受到的表面張力，在這裡就成了向上拉的力），吸管與垂直面的角度為x，吸管的半徑為r，水柱高度為h。

那麼，其向上拉的力為k乘於周長再乘以吸管與垂直面的角度（如果吸管是垂直的，那麼角度x等於零）：     而水的重力為質量乘地心加速度，其中質量等於密度乘體積。

在這裡的水柱呈圓柱形，因此其受到的重力為：     二者平衡後，我們可以得到高度h應為：     我們可以觀察到吸管的半徑r越小，水柱就會越高。

理論上一毫米的吸管水柱可以上升到十五釐米的距離。

」 「當然，上面所給出的公式只是為了證明只要管子夠細，表面張力就可以將水位上升到難以想像的高度而已。

如果管子的半徑極小，小得連我們的肉眼都看不見的時候，我們就可以將其稱之為『毛細管了』。

」   「現在應該知道我為什麼能吸水了吧？因為在我的身體中就有著千千萬萬的毛細管。

這些毛細管可遠比你的吸管還要細，可以輕易地將水分通過表面張力吸收到我的身體裡面。

這其實也是植物能透過根部吸水的原因之一（只是之一，其他原因還包括滲透作用，蒸散牽引力，根壓等，不全是因為毛細作用）。

不信的話你可以用我做個試驗，效法植物根部吸水的過程：將我的一端放置到裝滿水的水桶裡，另一端保持在桶外。

一段時間後你會發現我因為毛細作用，全身都濕透了。

」   「除了植物和毛巾外，生活中還有許多有趣的現象都和毛細作用有關哦！你看，你們人類常用的自來水筆的筆管就是透過毛細作用將墨水源源不斷地運輸到筆頭，來維持筆頭的濕潤。

還有還有，海綿之所以被設計成有許多的孔洞，就是為了增加毛細作用，以便能吸收幾乎相當於本身體積的水！這傢伙的吸水能力可比我強多了，簡直是吸水界的加...算了，當我沒說。

」   「主人啊，仔細的觀察你的周圍，科學就藏在日常生活中啊！物理學家開爾文男爵曾經說過：『一個肥皂泡，研究一輩子，仍然能發現許多新的物理課題』。

科學絕不是高不可攀的，只要你願意，隨時都可以從生活中的小事發現科學，理解科學。

因此，只有將科學與我們的生活緊密結合在一起，才是學好科學的方法啊！親愛的主人，你知道了嗎？」說完後睜著水汪汪的大眼睛看著你。

  你：「見鬼了，我家毛巾居然會說話」 老師文章總評： 沒問題了  建議項目： 接受    線上留言版 Copyright©2013財團法人國立自然科學博物館文教基金會版權所有│地址：40453台中市北區館前路一號│電話：04-23226940#232│傳真：04-23266824│隱私權宣告 建議使用I.E.6.0或Firefox1.0以上1024x768Pixels解析度瀏覽本網站 |E-mail：[email protected]|瀏覽人數:293806