日常生活中我們經(jīng)常能見(jiàn)到一些毛細(xì)現(xiàn)象,如山頂上的泉水、毛巾吸水、墻腳潮濕,甚至包括流眼淚。之所以會(huì)存在毛細(xì)現(xiàn)象,是因?yàn)榇嬖诿?xì)管力的作用。
毛細(xì)管力是毛細(xì)管中能使?jié)櫇衿涔鼙诘囊后w自然上升的作用力。此力指向液體凹面所朝向的方向,其大小與該液體的表面張力成正比,與毛管半徑成反比。在地層毛細(xì)孔隙中常表現(xiàn)為兩相不混溶液體(如油和水)彎曲界面兩側(cè)的壓力差。
毛細(xì)管力的產(chǎn)生是由表面層和附著層上特殊情況決定的,即附著層的收縮力和推斥力與表面張力共同作用的結(jié)果。對(duì)于潤(rùn)濕液體,由于它跟毛細(xì)管內(nèi)壁接觸的附著層存在推斥力,使附著層內(nèi)的液體沿管壁上升引起液面的彎曲內(nèi)凹,液體表面增變大;表面張力的收縮作用要使液面減小,于是管內(nèi)液隨著上升,以減少液體的面積,當(dāng)表面張力向上拉力作用與管內(nèi)升高的液體重量相等時(shí),管內(nèi)液體停止上升,達(dá)到平衡。
對(duì)于不潤(rùn)濕液體,由于附著層存在收縮力,使附著層的液體沿管壁下降引起液面的彎曲上凸,液體表面張力的收縮作用產(chǎn)生的壓強(qiáng)指向液體內(nèi)部,對(duì)液體十佳壓力,使液面減小,于是管內(nèi)液下降;如此循環(huán),使液體下降到一定后,達(dá)到平衡。
液柱上升高度是:h=2γcosθ/(ρgr)
此處,
γ= 表面張力;θ= 接觸角;ρ= 液體密度;g= 重力加速度;r= 細(xì)管半徑。
當(dāng)θ 90度,這表示彎液面為凸面;同時(shí)h 0,表示流體在毛細(xì)管下降,即汞在玻璃管的情況。
對(duì)于在海平面上,裝了水的玻璃管,
γ= 0。0728 J m θ= 20° ρ= 1000 kg m g= 9。8 m s 液柱高度為:
根據(jù)此方程式,理論上在1m寬的管中,水可以上升0。014 mm(因此極不容易被察覺(jué));另外在1 cm寬的管中,水可以上升1。4 mm;而在半徑0。1 mm 的毛細(xì)管中,水可以上升14 cm。
在自然界和日常生活中有許多毛細(xì)現(xiàn)象的例子.植物莖內(nèi)的導(dǎo)管就是植物體內(nèi)的極細(xì)的毛細(xì)管,它能把土壤里的水分吸上來(lái).磚塊吸水、毛巾吸汗、粉筆吸墨水都是常見(jiàn)的毛細(xì)現(xiàn)象.在這些物體中有許多細(xì)小的孔道,起著毛細(xì)管的作用.
有些情況下毛細(xì)現(xiàn)象是有害的.例如,建筑房屋的時(shí)候,在砸實(shí)的地基中毛細(xì)管又多又細(xì),它們會(huì)把土壤中的水分引上來(lái),使得室內(nèi)潮濕.建房時(shí)在地基上面鋪油氈,就是為了防止毛細(xì)現(xiàn)象造成的潮濕.
水沿毛細(xì)管上升的現(xiàn)象,對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響很大.土壤里有很多毛細(xì)管,地下的水分經(jīng)常沿著這些毛細(xì)管上升到地面上來(lái).如果要保存地下的水分,就應(yīng)當(dāng)鋤松地面的土壤,破壞土壤表層的毛細(xì)管,以減少水分的蒸發(fā).
毛細(xì)管壓力是指在毛細(xì)管中產(chǎn)生的液面上升或下降的曲面附加壓力。它是研究巖石孔隙結(jié)構(gòu)及巖石中兩相滲流所必需的資料,也是油層物理學(xué)的重要內(nèi)容之一。測(cè)定巖石毛管壓力曲線的方法很多,但最常用的主要有三種:半滲透隔板法、壓汞法和離心法。這些方法的基本原理相同,只是實(shí)驗(yàn)時(shí)所使用的流體工作介質(zhì)不同、加壓方式不同、所需時(shí)間長(zhǎng)短不同等等。
毛細(xì)管壓力大小與界面張力、巖石潤(rùn)濕性及孔隙半徑等有關(guān)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)毛細(xì)管壓力進(jìn)行了大量研究,主要集中在兩個(gè)方面:
1、對(duì)濕相和非濕相流體界面未達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)的動(dòng)態(tài)毛細(xì)管壓力的研究。以Hassanizadeh 為代表的國(guó)外學(xué)者研究了動(dòng)態(tài)毛細(xì)管壓力的效應(yīng),認(rèn)為在非穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,毛細(xì)管壓力不斷變化,其不僅是濕相流體飽和度的函數(shù),還受到濕相流體飽和度變化率的影響。
2、對(duì)濕相和非濕相流體界面達(dá)到平衡狀態(tài)的靜態(tài)毛細(xì)管壓力的研究,認(rèn)為毛細(xì)管壓力是濕相飽和度的函數(shù)。以洪世鐸為代表的多數(shù)中國(guó)學(xué)者只研究了油水界面平衡狀態(tài)下的靜態(tài)毛細(xì)管壓力及其對(duì)低滲透油藏水驅(qū)油效果的影響,認(rèn)為毛細(xì)管壓力只是含水飽和度的函數(shù)。
只有少數(shù)中國(guó)學(xué)者對(duì)濕相和非濕相流體界面非平衡狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)毛細(xì)管壓力開(kāi)展了研究工作。王中才等通過(guò)微米級(jí)毛細(xì)管水油驅(qū)替實(shí)驗(yàn)研究了毛細(xì)管壓力的變化,他們利用圓柱形石英毛細(xì)管來(lái)模擬多孔介質(zhì),發(fā)現(xiàn)了純水驅(qū)替正癸烷過(guò)程中毛細(xì)管壓力的變化現(xiàn)象,但沒(méi)有對(duì)動(dòng)態(tài)毛細(xì)管壓力的作用機(jī)理作詳細(xì)論述,對(duì)其影響規(guī)律也未作定量描述