모세관 작용

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${\displaystyle J=-D{\frac {d\varphi}{displaystyle}}$ 픽의 확산 법칙
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모세관 작용(캐피럴리티, 모세관 운동, 모세관 상승, 모세관 효과 또는 위킹이라고도 함)은 액체가 중력과 같은 외부 힘의 도움이나 반대 없이 좁은 공간에서 흐르는 과정입니다.그 효과는 페인트 브러시의 털 사이, 얇은 튜브, 종이와 석고와 같은 다공질 재료, 모래와 액화 탄소 섬유와 같은 일부 비다공질 재료 또는 생체 세포에서 액체를 끌어내는 것에서 볼 수 있다.액체와 주변의 고체 표면 사이의 분자간 힘 때문에 발생합니다.튜브의 직경이 충분히 작을 경우 표면 장력(액체 내 응집력에 의해 발생)과 액체와 용기 벽 사이의 접착력 조합이 ^[1]액체를 추진합니다.

어원학

모세혈관은 "머리카락의 또는 비슷한"을 뜻하는 라틴어 capillaris에서 유래했습니다.그 의미는 모세혈관의 작고 머리카락 같은 직경에서 유래한다.모세혈관이 보통 명사로 사용되는 반면, 그 단어는 또한 형용사로도 사용됩니다. "모세혈관 작용"에서처럼, 액체가 모세혈관의 내부 표면에 끌리면서 액체가 - 심지어 중력에 반해서 - 위쪽으로 움직이게 됩니다.

증산

뿌리에서 잎으로의 액체 물의 대량 흐름은 부분적으로 모세관 작용에 의해 추진되지만, 주로 물의 전위차에 의해 추진된다.대기 중 수분 전위가 기공의 잎 공역 내 물 전위보다 낮으면 수증기는 구배를 따라 내려가 잎 공역에서 대기 중으로 이동한다.이 움직임은 잎 공역에서의 물의 가능성을 낮추고 중엽 세포벽에서 액체 상태의 물의 증발을 일으킨다.이 증발은 세포벽에 있는 물의 메니시에 대한 장력을 증가시키고 반경을 감소시켜 세포 안의 물에 가해지는 장력을 감소시킨다.물의 응집력 있는 특성 때문에, 장력은 잎 세포를 통해 잎과 줄기 목질부로 이동하는데, 여기서 물이 ^[2]뿌리로부터 목질부를 끌어올릴 때 순간적인 음압이 생성됩니다.잎 표면에서 증발이 일어날 때, 접착과 응집성의 특성은 함께 작용하여 뿌리, 목질 조직, 그리고 ^[3]기공을 통해 식물 밖으로 물 분자를 끌어냅니다.키가 큰 식물과 나무에서는 물이 기공에서 대기로 확산되어 식물 상부의 정수압(물)이 감소해야만 중력을 극복할 수 있다.물은 삼투에 의해 뿌리에서 흡수되고, 용해된 미네랄 영양소는 목질을 통해 그것과 함께 이동합니다.

역사

모세관 작용에 대한 최초의 기록된 관찰은 레오나르도 다빈치에 ^[4][5]의해 이루어졌다.갈릴레오의 제자였던 니콜로 아기운티는 모세관 작용을 ^[6]연구했다고 한다.1660년 아일랜드 화학자 로버트 보일(Robert Boyle)은 캐피럴리 튜브를 물에 담그면 물이 "파이프 안의 어떤 높이"까지 올라가는 것을 관찰했다고 보고했습니다.그리고 나서 보일은 모세관을 적포도주에 담그고 부분 진공에 노출시키는 실험을 보고했다.그는 진공이 모세관 내 액체의 높이에 관측할 수 있는 영향을 미치지 않는다는 것을 발견했고, 그래서 모세관 내 액체의 행동은 수은 ^[7]기압계를 지배하던 것과는 다른 현상 때문이었다.

다른 사람들은 곧 보일의 ^[8]선례를 따랐다.일부(예: Honé Fabri,^[9] Jacob Bernouli^[10])는 공기가 액체만큼 쉽게 모세혈관에 들어가지 못하기 때문에 모세혈관의 내부 기압이 낮다고 생각했습니다.다른 사람들(예: Isaac Vossius,^[11] Giovanni Alfonso Borelli,^[12] Louis Caré,^[13] Francis Hauksbee,^[14] Josia Weitbrecht^[15])은 액체의 입자들이 서로 끌어당기고 모세관 벽에 끌린다고 생각했다.

18세기 ^[16]동안 실험 연구가 계속되었지만, 두 연구자에 의해 1805년까지 모세관^[17] 작용의 성공적인 정량적 처리는 달성되지 않았다.영국의^[18] 토마스 영과 프랑스의 ^[19]피에르 시몬 라플라세.그들은 모세혈관 작용의 영-라플라스 방정식을 도출했다.1830년까지, 독일의 수학자 카를 프리드리히 가우스는 모세관 작용을 지배하는 경계 조건(즉, 액체-고체 ^[20]계면에서의 조건)을 결정했다.1871년 영국의 물리학자 윌리엄 톰슨 제1대 켈빈 남작은 켈빈 ^[21]방정식으로 알려진 액체의 증기 압력에 대한 메니스커스의 영향을 알아냈습니다.독일 물리학자 프란츠 에른스트 노이만 (1798–1895)은 그 후 두 불용성 ^[22]액체 사이의 상호작용을 밝혀냈다.

1900년에 Annalen der Physik에 제출된 Albert Einstein의 첫 번째 논문은 모세혈관에 ^[23][24]관한 것이었다.

현상과 물리학

다공질 매체의 모세관 관통은 두 프로세스 모두 점성력에 ^[25]의해 저항되기 때문에 중공 튜브의 흐름과 동적 메커니즘을 공유합니다.그 결과, 그 현상을 설명하기 위해서 이용되는 공통의 장치는 모세관이다.유리관의 하단부를 물과 같은 액체에 넣으면 오목한 반월판이 형성된다.유체와 고체 내벽 사이에서 접착이 일어나 액체 기둥을 끌어당겨 중력이 이러한 분자간 힘을 극복할 수 있는 충분한 액체 질량이 생길 때까지.액체 기둥의 상단과 튜브 사이의 접촉 길이(가장자리 주변)는 튜브 반경에 비례하며 액체 기둥의 무게는 튜브 반지름의 제곱에 비례합니다.따라서 좁은 튜브는 내부 물 분자가 외부 물 분자에 충분히 응집되어 있기 때문에 넓은 튜브보다 더 멀리 액체 기둥을 끌어당길 것입니다.

예

건설 환경에서는 증발 제한 모세관 침투가 콘크리트 및 석조 구조물의 습기 상승 현상을 일으키는 반면, 산업 및 진단 의학에서는 종이 기반 미세 유체 ^[25]공학 분야에서 이러한 현상이 점점 더 활용되고 있습니다.

생리학에서 모세혈관의 작용은 눈에서 지속적으로 생성된 최루액의 배수에 필수적이다.눈꺼풀의 안쪽 구석에는 작은 직경의 두 개의 관이 있는데, 이것은 누관이라고도 불린다; 그들의 개구부는 눈꺼풀을 만졌을 때 누낭 안에서 육안으로 볼 수 있다.

윅킹은 캔들 심지로 액체를 물질로 흡수하는 것이다.종이 타월은 모세관 작용을 통해 액체를 흡수하여 표면에서 수건으로 액체를 옮길 수 있습니다.스펀지의 작은 모공이 작은 모세혈관 역할을 하여 많은 양의 수분을 흡수합니다.일부 섬유 직물은 피부에서 땀을 빼기 위해 모세관 작용을 사용한다고 한다.양초와 램프 심크의 모세관 성질을 따서 종종 심지 직물이라고 합니다.

모세관 작용은 용제가 모세관 작용을 통해 플레이트 위로 수직으로 이동하는 얇은 층 크로마토그래피에서 관찰된다.이 경우 모공은 매우 작은 입자 사이의 틈새입니다.

캐피럴리 액션은 펜 안에 있는 탱크나 카트리지의 만년필 팁 끝에 잉크를 끌어당깁니다.

수은과 유리와 같은 몇 쌍의 물질에서는 액체 내의 분자간 힘이 고체와 액체 사이의 힘을 초과하기 때문에 볼록한 반월경이 형성되고 모세관 작용이 반대로 작용합니다.

수문학에서 모세관 작용은 토양 입자에 대한 물 분자의 흡인력을 설명한다.캐피럴리 작용은 지하수를 토양의 젖은 지역에서 건조한 지역으로 이동시키는 역할을 한다.토양 전위차(${\displaystyle {\delta }_{}}$ m$$\ $displaystyle \Psi$ _${m$는 토양에서 모세관 작용을 일으킨다.

모세관 작용의 실용적인 적용은 모세관 작용 사이펀입니다.이 장치는 (대부분의 사이펀과 같이) 중공 튜브를 사용하는 것이 아니라, 섬유 소재로 만든 길이(면줄이나 끈이 잘 작동)로 구성되어 있습니다.코드에 물을 채운 후 한쪽(무게가 있는) 끝을 물이 가득 찬 저장조에 넣고 다른 한쪽 끝을 수용용기에 넣는다.탱크는 수신 ^{[citation needed]}용기보다 높아야 합니다.관련이 있지만 단순화된 캐피럴리 사이펀은 두 개의 갈고리 모양의 스테인리스강 막대만으로 구성되며, 표면이 친수성이므로 물이 그 사이의 좁은 홈을 적실 수 있습니다.^[26] 모세관의 작용과 중력으로 인해 물은 저장조에서 수용 용기로 천천히 이동합니다.이 간단한 장치는 집에 아무도 없을 때 화분에 물을 주는 데 사용될 수 있습니다.이 특성은 증기 기관차의 윤활에도 사용됩니다. 워스트 울 심지는 저장소에서 ^[27]베어링으로 이어지는 공급 파이프로 오일을 흡입하는 데 사용됩니다.

식물과 동물에서

모세혈관의 작용은 많은 식물에서 볼 수 있다.물은 나뭇가지에 의해 나무 위로 높이 올라갑니다; 잎의 증발은 감압을 만듭니다; 아마도 뿌리에 추가된 삼투압에 의해; 그리고 식물 내부의 다른 장소들, 특히 공기 ^[28][29]뿌리로 습기를 모을 때.

물의 흡수를 위한 모세관^[30] 작용은 Ligia exotica와 ^[31]Moloch horridus와 같은 일부 작은 동물에서 설명되었습니다.

메니스커스의 높이

모세관 내 액체의 모세관 상승

액체 기둥의 높이 h는 주린의 법칙에^[32] 의해 주어진다.

${\displaystyle h=cos\theta } over {\rho gr}$

여기서$\theta {\displaystyle }$ {$displaystyle \scriptstyle$ \$displaystyle$ \displaystyle$}$은 액체-공기 표면장력(힘/단위길이), θ는 접촉각, θ는 액체 밀도(질량/부피), g는 중력에 의한 국부 가속도(시간^[33] 길이/제곱시간), r은 튜브 반경이다.

분모에 r이 있기 때문에 액체가 이동할 수 있는 공간이 얇을수록 액체는 더 위로 올라간다.마찬가지로 액체가 가벼워지고 중력이 낮아지면 기둥의 높이가 높아집니다.

표준 실험실 조건의 공기 중 수분 충전 유리관은 20 °C에서 = 0.0728 N/m, = 1000 kg/m³, g = 9.81 m/s이다².깨끗한 유리에 물이 퍼지기 때문에, 유효 평형 접촉각은 약 ^[34]0입니다.이러한 값의 경우 물기둥의 높이는 다음과 같습니다.

$({displaystyle h} 약 {{1.48\times 10^{-5}\{mbox{m}^2}}\over r}).}$

따라서 위에 제시된 실험실 조건의 2m(6.6ft) 반지름 유리 튜브의 경우, 물은 눈에 띄지 않는 0.007mm(0.00028인치)로 상승할 것이다.그러나 2cm(0.79인치) 반경 튜브의 경우 물은 0.7mm(0.028인치) 상승하고 0.2mm(0.0079인치) 반경 튜브의 경우 물은 70mm(2.8인치) 상승합니다.

두 유리판 사이의 액체의 모세관 상승

층 두께(d)와 표고 높이(h)의 곱은 일정하며(d·h = 상수), 두 수량은 반비례한다.평면 사이의 액체의 표면은 쌍곡선이다.

• 두 유리판 사이의 물
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다공질 매체 내 액체 수송

건조한 다공질 매체가 액체와 접촉하면 시간이 지남에 따라 감소하는 속도로 액체를 흡수합니다.증발을 고려할 때, 액체 침투는 온도, 습도 및 투과성의 매개변수에 따라 한계에 도달합니다.이 프로세스는 증발 제한 모세관 침투로 알려져 있으며, 유체가 종이로 흡수되고 콘크리트 또는 석조 벽의 습기가 증가하는 등 일반적인 상황에서 널리 관찰됩니다.단면적 A가 축축한 재료의 막대 모양 단면의 경우, 시간 t 후 흡수된 액체의 누적 부피 V는 다음과 같다.

${\displaystyle V=}AS{\sqrt {t}},}$

여기서 S는 매질의 흡수도(m^−1/2·s 또는 mm·min^−1/2 단위)이다.이 시간 의존 관계는 모세혈관과 다공질 ^[35]매체의 위킹에 대한 Washburn의 방정식과 유사합니다.수량

${\displaystyle i=param frac {V}{A}}}$

길이 치수와 함께 누적 액체 섭취라고 합니다.바의 젖은 길이, 즉 바의 젖은 끝과 소위 습윤 전면 사이의 거리는 공극이 차지하는 부피의 비율 f에 따라 달라집니다.이 숫자 f는 매질의 다공성입니다. 젖은 길이는 다음과 같습니다.

${\displaystyle x=sqrt {i}{f}=sqrt {t}}.}$

일부 저자는 흡수성으로 ^[36]S/f 양을 사용한다.위 설명은 중력과 증발이 작용하지 않는 경우에 해당합니다.

흡착성은 증가하는 습도의 양에 영향을 미치기 때문에 건축 자재와 관련된 특성입니다.건축 자재의 흡착도에 대한 몇 가지 값은 아래 표에 나와 있습니다.

선택한 재료의 흡수성(출처:^[37]

재료.	흡수성 (mm·min−1/2)
기포 콘크리트	0.50
석고 석고	3.50
점토 벽돌	1.16
모르타르	0.70
콘크리트 벽돌	0.20

「 」를 참조해 주세요.

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• 영-라플라스 방정식

레퍼런스

추가 정보

• de Gennes, Pierre-Gilles; Brochard-Wyart, Françoise; Quéré, David (2004). Capillarity and Wetting Phenomena. Springer New York. doi:10.1007/978-0-387-21656-0. ISBN 978-1-4419-1833-8.