炎炎夏日,小编的命是空调给的。

最近新出来的文章(今天的文章是真的水)(1)

吹着空调的小(老)编(干部),一边喝着冰镇肥宅快乐水一边看着报纸,不禁感叹科技发展的美好。

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然而,这时经常有爸妈乱入,来一句:“少喝冷饮,多喝热水”。

望着水杯中起起伏伏的枸杞,小编不禁陷入了沉思,这一杯水,除了能养生,还能用来做啥呢?

那当然是能用来发电和造一台“永动机”呀。

开尔文滴水起电机

水力发电小可爱们肯定都知道了,水的重力势能转化成动能进而推动发电机组发电。不过这里介绍另外一种利用水的重力势能发电的方式——开尔文滴水起电机。它的实物大概长下面这样子,乍一看真的挺简陋的。

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开尔文滴水起电机 | 来源:Wikipedia

开尔文滴水起电机其实是一种静电发生器。它的构造如下图,最上方绿色的桶里装的是水,桶底有一个阀门。右边蓝色的金属桶和左边蓝色的金属环相连接,左边红色的金属桶和右边红色金属环相连接,蓝色金属桶和红色金属桶之间相互绝缘。

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开尔文滴水起电机原理 | 来源:Wikipedia [1]

因为蓝色金属桶和红色金属桶之间是相互绝缘的,所以两者不是等势体,会有微小的荷电差异。因此,不妨假设左边的红色金属桶带微量负电荷。因为右边的红色金属环与红色金属桶有导线连接,所以红色金属环也带有微量负电荷。当开阀放水的时候,由于异种电荷相吸,红色金属环会吸引水中的正电荷到右边的水流中,而水中的负电荷则跑到了左边的水流中。随后,右边的水流携带正电荷滴落蓝色金属桶中,左边的水流携带负电荷滴落红色金属桶中,电荷进而传导到金属环上,这一过程就相当于不断给两个金属桶(环)充电。当两个金属桶的异种电荷累积到一定程度的时候,就会通过金属小球放电。

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这张图能更好地理解电荷分配 | 来源:chipdip.ru

如果有验电器的话,也可以检测金属桶是否真的带电。

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自制的验电器和土味的开尔文滴水起电机更配哟 | 来源:hackaday.com

可能会有不少小可爱会问,金属桶的电荷会不会越积越多,最后让人触电。这其实不用担心,因为开尔文滴水起电机自身的特点就不会让存储的电荷无限增加。首先,随着金属环所带的电荷增多,水流中的电荷也会增多,同种电荷相排斥会让平稳的水流出现分叉,如果离金属环近的话会被吸引以至于碰到金属环,然后发生异种电荷中和。而金属桶中的电荷也会阻止水滴的下落,并让水滴四处飞溅。这两种情况都会限制金属桶的电荷增加。

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金属桶阻止水滴下落并使其飞溅 | 来源:chipdip.ru

毛细现象

说到永动机,小编最先想到的就是毛细现象,其中的缘由且听小编慢慢道来。

毛细现象在生活中非常常见,比如纸巾吸水、芹菜染色、纸层析法分离色素等等。

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纸巾吸水 | 来源:weebly.com

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纸层析法 | 来源:Wikipedia

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芹菜染色 | 来源:USGS

所谓毛细现象就是当毛细管插入浸润液体中,管内液面上升,高于管外液面;毛细管插入不浸润液体中,管内液体下降,低于管外液面。上面的例子中,水能浸润纸和芹菜的茎,因此水的液面都是上升的。而水银不能浸润玻璃,所以把玻璃毛细管插入水银中,将会看到液面下降。

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来源:Wikipedia

毛细现象还有个特点,当毛细管的内径越小的时候,液面就能上升到更高的高度。

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毛细现象,玻璃管的管径越小,里面的液体上升的高度越高 | 来源:USGS

小编当初学习到毛细现象的时候,突发奇想,既然水在毛细管中的液面会上升,那么是不是可以利用这一点来制造一台永动机呢?将一根毛细管插入一杯水中,如果毛细管在水面上的高度低于毛细管内液面所能上升的高度,那毛细管中岂不是能源源不断地涌出水来,周而复始,一刻不停。然而热力学第一定律和热力学第二定律迅速打醒了迷糊的小编。

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来源:科学松鼠会 [2]

接下来就以上面这五幅图来讨论一下为什么这个办法不可行。I图就是正常的毛细现象。如果毛细管在水面上的高度低于毛细管内液面所能上升的高度,如图II一样,那么水不会源源不断地涌出,而是管口处的液面会变得“平坦”。既然毛细管中的水无法源源不断地流出,那么将毛细管弯折成图III那样,利用重力让水滴下落行不行?这样做的结果就是毛细管中的液面依然是凹向水那一侧,无法滴落。倘若将毛细管管口降低到水杯的液面以下,如图IV一样呢?如果只是略微低于水杯的液面,由于表面张力的存在,可以兜住水滴,管口的液面只是凸向空气,而不会滴下。如果毛细管口远低于水杯的液面,就是成了虹吸效应,杯中的水会源源不断地流出。可问题来了,这样不能“永动”呀,因为流出的水回不到水杯中了,水杯里不一会儿就没水了。那么将毛细管管口插到水杯里面,流出的水不就能回到水杯中了吗?

将毛细管管口插入水中就成了下图这样子,小编凭借小学二年级的知识就看出来,里面的水“永动”不了,“永动机”的想法破灭了。

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来源:Wikipedia

利用毛细现象将一杯水打造成永动机是不可能实现的,但是同样一杯水却可以让饮水鸟永不停息地喝水,像台“永动机”一样。

饮水鸟

饮水鸟是一种常见的玩具,非常神奇的地方在于,它能不知疲倦地一直喝水。

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饮水鸟 | 来源:Study.com

饮水鸟不停喝水的玄机在于其中装填的液体和它的构造。鸟肚子是一个玻璃泡,鸟头连着一根玻璃管,玻璃管插入鸟肚子中。鸟肚子里面装着一些易挥发液体,鸟头上套着一层绒布。

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饮水鸟构造 | 来源:科学松鼠会 [3]

一开始只需要将鸟头打湿,它就能一直喝水啦,蠢萌蠢萌的。这里面的原理其实很简单,鸟头的湿绒布里的水分蒸发,带走鸟头的热量,使得鸟头玻璃泡里的温度降低。低温会导致液体的饱和蒸汽压下降,这就使得鸟头玻璃泡中的气压低于鸟肚玻璃泡中的气压,所以鸟肚玻璃球泡中的液体因为压力差被挤压到头部。当有足够多的液体被挤压到鸟头时,饮水鸟的重心上移,当鸟头的力矩足够大时,则会饮水鸟则会低头。低头后,饮水鸟身体接近水平,使得鸟头与鸟肚气体连通,两边的气压达到平衡,液体也由鸟头流回鸟肚,此时重心又回到下方,所以饮水鸟又抬头了。

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饮水鸟中的液面上升的原理 | 来源:hk-phy.org

因为饮水鸟的工作依赖于里面液体的移动,所以填充在饮水鸟内部的液体必须要有容易凝结的特点(也就是易挥发,即低沸点),如此才能在鸟头温度略微下降的情况下有足够的气体凝结成液体,进而较大地改变鸟头的气压。饮水鸟内部装填的液体一般是二氯甲烷(沸点40℃)和乙醚(沸点:34.6℃)等,所以玩饮水鸟的时候要注意别把它打破了,二氯甲烷和乙醚都有一定毒性。饮水鸟前面放置一杯水其实是为了让鸟头的绒布一直保持湿润。

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鸟头和鸟肚之间的气体连通 | 来源:hk-phy.org

饮水鸟看起来是“永动机”,但其实是热机,它将温差转换为内部的压力差,并对外做功。饮水鸟也像普通的热机一样,需要不断从高温热源(鸟肚)吸热,向低温热源(鸟头)放热。

参考资料

[1] 开尔文滴水起电机

[2] 界面上的世界之毛巾永动机

[3] 喝水鸟:从未见过如此呆萌的科学玩具

编辑:重光

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