毛細管現象

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毛細管現象:(H2O)と水銀(Hg)

毛細管現象(もうさいかんげんしょう、: capillary action)とは、細い管状物体(毛細管)の内側の液体が管の中を上昇(場合によっては下降)する現象である。毛管現象とも呼ばれる。

例えば、現象として壁面のぬれやすさとの兼ね合いで管内の液面は水平ではなく、傾きをもっていることがある(ストローの中の液面を見れば、両端が壁面にそって高くなっている様子がわかる)。また、ガラス管では濡れ性の高い水の場合毛細管の液面は上昇するが、ガラスによってはじかれる、水銀の場合は毛細管の液面は下降する。

表面張力・壁面のぬれやすさ・液体密度によって液体上昇の高さが決まる。

表面張力を測定する方法の一つとなっている[1]

原理[編集]

厳密性を無視した簡単な原理を次に示す。

  1. 表面張力によって液面は縮まろうとする方向に力が加わっている。
  2. 壁面付近の傾きをもった液面が縮まろうとすることによって結果的に水面を持ち上げる。つまり、液体の上昇する力は壁面付近の表面張力の垂直成分に等しい。
  3. 上の二つの力と持ち上げた液体の重さがつりあうまで液面は上昇する。液体の重さは密度×体積(管断面積×高さ)で求まるが、細い管の場合はこの管断面積が微小となる。このため液面の上昇する高さは非常に大きいものとなる。

計算式[編集]

液面の上昇高さh は、以下の式で与えられる。

h={{2T\cos{\theta}}\over{\rho g r}}
T = 表面張力
θ = 接触角
ρ = 液体の密度
g = 重力加速度
r = 管の内径(半径)

たとえば、海水面高度でガラス管と水の組み合わせの場合、

T = 0.0728 N/m (20℃)
θ = 20°
ρ = 1000 kg/m3
g = 9.80665 m/s²

となり、次の式で液面の上昇高さを計算できる。

h\approx {{1.4 \times 10^{-5} \mathrm{m}^{2}}\over r}

ガラス管の半径がr = 0.05 mmであれば、液面の上昇は約28 cmとなる。

歴史[編集]

  • 1490年、レオナルド・ダ・ヴィンチが初めて毛細管現象について述べている[1]
  • 1660年ごろ、イタリアのボレレが、液面の上昇高さは管の径に反比例することを発見した。
  • トマス・ヤングがこの現象が表面張力によることを明らかにした。

参考文献[編集]

  1. ^ a b 五十嵐保; 杉山均 『流体工学と伝熱工学のための次元解析活用法』 共立出版、2013年、36頁。ISBN 978-4-320-07189-6 

関連項目[編集]