今天的文章是真的水……
中科院物理所2020-08-09 13:40
炎炎夏日，小编的命是空调给的。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
纸巾吸水 | 来源：weebly.com
纸层析法 | 来源：Wikipedia
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
举报/反馈
0
0
收藏
分享
