毛细现象|为什么空间站上能使用毛笔?( 三 )


综合液体分子之前的相互作用 , 以及液体分子与外部固体分子的相互作用 , 我们就得到了表面张力 , 并依据这两种相互作用的大小 , 将液体-固体分为浸润与否两类 。
问题的解答就是这样 。 毛细现象实际上要求达到一种平衡:液体分子相互作用 , 与液体与表面相互作用的平衡 。 在达到这个平衡的过程中 , 液体表面会发生变形 。 毛笔的材料 , 兽毛 , 也就是蛋白质 , 像玻璃一样可以被水浸润 。 由于分子间相互作用不受重力影响 , 毛细现象在空间站里面自然也可以发生 , 于是毛笔在失重条件下 , 也可以一如既往地吸入墨水 , 并正常书写了 。
4. 毛细现象的利用
从毛细现象的描述 , 我们可以直接得到两个推论:
1.    由于阻力的存在 , 毛细现象并不能用来持续做功 , 一切“永动机”都是不可能实现的 。
2.     如果没有摩擦力 , 那么毛细管将不断把液体吸到高处 , 直到充满整根管子或者从顶部喷出 。
2正是著名的“超流”现象 。 超流是一类宏观的量子现象 , 其原理较为复杂 , 本文不再详细描述 。 从直观上讲 , 超流体的特征是流动时不受到阻力 , 它和正常流体之间在微观结构上存在巨大的差异 , 像液态-气态那样 , 分属于不同的物态 。 特定温度下的液氦就属于这样的超流体 , 它们可以从毛细管中喷出 , 形成喷泉 。

毛细现象|为什么空间站上能使用毛笔?
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图7 超流液氦喷泉
液氦喷泉仍然满足能量守恒:当液氦从毛细管中喷出后 , 容器里的液氦温度会上升 , 这个现象被称为“机械热效应” 。 当超流液氦被加热到特定温度 , 也就是大约零下271℃(准确来说 , 大约是2.18K)时 , 超流液氦变成普通液氦 , 喷泉停止工作 。 整个过程相当于原来的化学能(本质上是电磁相互作用的势能)变成了重力势能与动能 , 而后再变为化学能 。
另外非浸润也有强大的利用价值 , 例如水银与玻璃 。 将水银倒入量筒中 , 它的液面向上凸起 , 表明水银会自发沿着玻璃壁下降 。 因为这个性质 , 在玻璃毛细管中 , 水银会下降 , 而不是像水那样上升 。 这个性质被人们利用在体温计制作中:体温计的玻璃液泡与测量管之间有一条很狭窄的细管 。

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图8 体温计液泡与测量段之间的细管 , 水银柱在这里很容易被拉断
当测量温度结束后 , 体温计被拿到空气中 , 液泡温度迅速下降 , 导致水银收缩 。 由于毛细现象 , 弯管处细液柱被折断 , 使进入测量管的水银无法回到液泡 , 于是体温计一旦离开人体 , 示数就不再发生变化了 。

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