毛细管力

毛细管力介绍

日常生活中我们经常能见到一些毛细现象，如山顶上的泉水、毛巾吸水、墙脚潮湿，甚至包括流眼泪。之所以会存在毛细现象，是因为存在毛细管力的作用。

毛细管力是毛细管中能使润湿其管壁的液体自然上升的作用力。此力指向液体凹面所朝向的方向，其大小与该液体的表面张力成正比，与毛管半径成反比。在地层毛细孔隙中常表现为两相不混溶液体（如油和水）弯曲界面两侧的压力差。

毛细管力产生原理

毛细管力的产生是由表面层和附着层上特殊情况决定的，即附着层的收缩力和推斥力与表面张力共同作用的结果。对于润湿液体，由于它跟毛细管内壁接触的附着层存在推斥力，使附着层内的液体沿管壁上升引起液面的弯曲内凹，液体表面增变大；表面张力的收缩作用要使液面减小，于是管内液随着上升，以减少液体的面积，当表面张力向上拉力作用与管内升高的液体重量相等时，管内液体停止上升，达到平衡。 

对于不润湿液体，由于附着层存在收缩力，使附着层的液体沿管壁下降引起液面的弯曲上凸，液体表面张力的收缩作用产生的压强指向液体内部，对液体十佳压力，使液面减小，于是管内液下降；如此循环，使液体下降到一定后，达到平衡。

毛细管力的计算公式

液柱上升高度是：h=2γcosθ/(ρgr)

此处，

γ= 表面张力；θ= 接触角；ρ= 液体密度；g= 重力加速度；r= 细管半径。

当θ>90度，这表示弯液面为凸面；同时h<0，表示流体在毛细管下降，即汞在玻璃管的情况。

对于在海平面上，装了水的玻璃管，

γ= 0。0728 J m θ= 20° ρ= 1000 kg m g= 9。8 m s 液柱高度为：

根据此方程式，理论上在1m宽的管中，水可以上升0。014 mm（因此极不容易被察觉）；另外在1 cm宽的管中，水可以上升1。4 mm；而在半径0。1 mm 的毛细管中，水可以上升14 cm。

毛细管力的影响

在自然界和日常生活中有许多毛细现象的例子.植物茎内的导管就是植物体内的极细的毛细管，它能把土壤里的水分吸上来.砖块吸水、毛巾吸汗、粉笔吸墨水都是常见的毛细现象.在这些物体中有许多细小的孔道，起着毛细管的作用. 

有些情况下毛细现象是有害的.例如，建筑房屋的时候，在砸实的地基中毛细管又多又细，它们会把土壤中的水分引上来，使得室内潮湿.建房时在地基上面铺油毡，就是为了防止毛细现象造成的潮湿. 

水沿毛细管上升的现象，对农业生产的影响很大.土壤里有很多毛细管，地下的水分经常沿着这些毛细管上升到地面上来.如果要保存地下的水分，就应当锄松地面的土壤，破坏土壤表层的毛细管，以减少水分的蒸发. 

毛细管压力

毛细管压力是指在毛细管中产生的液面上升或下降的曲面附加压力。它是研究岩石孔隙结构及岩石中两相渗流所必需的资料，也是油层物理学的重要内容之一。测定岩石毛管压力曲线的方法很多，但Z常用的主要有三种：半渗透隔板法、压汞法和离心法。这些方法的基本原理相同，只是实验时所使用的流体工作介质不同、加压方式不同、所需时间长短不同等等。

毛细管压力大小与界面张力、岩石润湿性及孔隙半径等有关。国内外学者对毛细管压力进行了大量研究，主要集中在两个方面：

1、对湿相和非湿相流体界面未达到平衡状态时的动态毛细管压力的研究。以Hassanizadeh 为代表的国外学者研究了动态毛细管压力的效应，认为在非稳态运动过程中，毛细管压力不断变化，其不仅是湿相流体饱和度的函数，还受到湿相流体饱和度变化率的影响。

2、对湿相和非湿相流体界面达到平衡状态的静态毛细管压力的研究，认为毛细管压力是湿相饱和度的函数。以洪世铎为代表的多数ZG学者只研究了油水界面平衡状态下的静态毛细管压力及其对低渗透油藏水驱油效果的影响，认为毛细管压力只是含水饱和度的函数。

只有少数ZG学者对湿相和非湿相流体界面非平衡状态下的动态毛细管压力开展了研究工作。王中才等通过微米级毛细管水油驱替实验研究了毛细管压力的变化，他们利用圆柱形石英毛细管来模拟多孔介质，发现了纯水驱替正癸烷过程中毛细管压力的变化现象，但没有对动态毛细管压力的作用机理作详细论述，对其影响规律也未作定量描述