隔空搬水?

隔空搬水?

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