目的
演示不同的氣體壓力造成液體流動方向的改變。
實驗
1.兩個瓶子由管子連接,一個加蓋並裝水,一個未加蓋且不裝水,擺放於密閉容器中。
2.抽離密閉容器中的氣體,同時觀察液體流動的現象。
原理思考
為什麼抽離氣體後,水會移動?
將密閉容器內的空氣視為理想氣體,從理想氣體方程式(其中:壓力、:體積、:莫耳數、:理想氣體常數,也稱波茲曼常數(Boltzmann’s constant)、:絕對溫度)知道,當密閉容器中空氣抽離後,依照前述理論來看,減少、不變、不變,所以氣體壓力下降,也就是密封罐內的壓力與氣體分子數量成正比。此時加蓋的瓶子內氣體因有水隔著,所以壓力大於未加蓋瓶子,造成加蓋瓶子內的氣體會擠壓液體到未加蓋的瓶子裡,最後使兩個瓶子的壓力達到平衡。所以抽離密封罐內的氣體時水會跑到未加蓋的瓶子。
討論
1.若加蓋瓶子內完全沒任何氣體,此實驗結果會如何?
2.若此實驗是將氣體打入密閉容器中,實驗結果會如何?
3.生活中有何運用的實例?
1.加蓋瓶子內完全沒任何氣體時,理想氣體方程式也不適用,也沒有氣體的壓力差,所以瓶內的液體就不會流動。2. 當密閉容器的壓力增大時,若外加的壓力大於加蓋瓶子內水的壓力時,氣體就從沒有瓶蓋的瓶子流向有蓋的瓶子。 若一開始是將水加到沒有瓶蓋的瓶子的狀況下,則密閉容器的壓力增大時,水就會從沒有瓶蓋的瓶子流向加蓋的瓶子裡,如同演示影片的後半段所示。3. 抽水泵(Syringe Pump)就是運用這樣的原理;另外,塞風咖啡壺也有運用這樣的原理來過濾煮好的咖啡與咖啡渣
關於實驗
1.連接兩瓶子的管子,實驗時須確認管口低於液面以確保液體可以藉由管子流動。
2.本實驗前後環境溫度仍為室溫,故溫度T不變;所考慮的系統為密閉容器,故體積V不變。
3.可參考本網站中的熱情溫度計及餐桌物理學—喝咖啡學物理做比較。
參考資料
“University Physics", Rev. ed., John Wiley & Sons, 1995, USA., p368-370.Harris Benson
製作
邱瑋國
指導老師
朱慶琪
撰稿
邱瑋國、黃時霖