《水循环与虹吸现象》
41 水循环与虹吸现象

大家都知道中国有一句谚语“人往高处走,水往低处流”,大到中国的长江、黄河每一天都自西向东(自高向低)不断携带着泥沙涌向大海,小到用热水壶倒水,水始终是从上向下流。我们都知道水在没有其他外力的作用下一定是向下流的,那是因为地球有引力,所有地球上的物体都躲不过地球引力。

我们找来鱼菜共生大型植物工厂,看看它是如何实现水循环的。

鱼菜共生大型植物工厂,它有水泵循环系统,可以将鱼池中的水抽到设备顶端的储水式净水滴流盒(用于过滤净化水质,防止水质富氧化,绿藻增生,防止亚硝酸盐对植物的毒害,控制水pH 值平衡)中,经过净化的水在重力的作用下流向下方的储水池,等待水泵再次抽取,循环使用。

我们知道生活中利用“虹吸原理”可以更好的冲刷掉黏附在管道表面的赃物。那么“虹吸现象”具体是什么呢?让我们往下学习吧!

虹吸效应,又称虹吸现象,物理上原本是指由于液态分子间存在引力与位能差能,液体会由压力大的一边流向压力小的一边。虽然水两边大气压强相同,但由于水位差,水压大的一边由于重力下流,水压小的一边由于大气压上流,直到两边的大气压力加水压相等,容器内的水面变成相同的高度,水就会停止流动。利用虹吸现象很快就可将容器内的水抽出。

虹吸管是人类的一种古老发明,早在公元前 1 世纪,就有人造出了一种奇特的虹吸管。事实上,虹吸作用并不完全是由大气压力所产生的,在真空里也能产生虹吸现象。使液体向上升的力是液体间分子的内聚力,在发生虹吸现象时,由于管内往外流的液体比流入管内的液体多,两边的重力不平衡,所以液体就会继续沿一个方向流动,在管内,越往上

压力就越低。如果液体上升的管子很高,压力会降低到使管内产生气泡 ( 由空气或其他成分的气体构成 ),虹吸管的作用高度就是由气泡的生成而决定的。因为气泡会使液体断开,气泡两端的气体分子之间的作用力减至 0,从而破坏了虹吸作用,因此管子一定要装满水。

生活中“虹吸原理”的应用还有很多,比如太阳能热水器。集热器内储满冷水,当太阳能集热器吸收太阳能时,里面的水受热膨胀,密度变小,就上升到上面的热交换器中。而密度较大的冷水则回流到集热器的底部,在吸收了热能后,继续膨胀上升。

热循环运动被称为热虹吸效应,集热器和热交换器之间的温差越大,水体在两者之间的循环流动的速度越快。

在生活中还有虹吸式马桶,也是“虹吸原理”在生活中很好的应用。市场上的座便器的冲水原理基本是直冲式和

虹吸式两大类。虹吸式中又分旋涡式虹吸和喷射式虹吸。虹吸式马桶内有一个完整的管道,形状呈侧倒状的“S”,池壁坡度较缓,噪音问题有所改善,具有排污能力强,选净面大的特点。所以绝大多数马桶尤其是连体马桶均采用虹吸式,其最大优点就是冲水噪音小,容易冲掉黏附在马桶表面的脏物。

下面我们来看看“虹吸原理”在鱼菜共生大型植物工厂中的部分应用。

经过储水式净水滴流盒净化的水在“虹吸系统”的作用下,快速流向下方的储水池,冲刷了 PVC 专用种植方管的管壁,使管壁不集聚水藻等污物,大大降低了设备清理的难度。

实验一

请同学们动手做一做水的虹吸现象的实验:

1、实验器材

自制支架一个、烧杯两个、塑料管1根、有色试剂 1 瓶。

2 、实验步骤

将 A 容器盛适量多的水后置于较高的位置,空的 B 容器置于较低的位置。将橡皮管装满水后用手按住两端管口。将管子一端插入 A 容器水面下,另一端放入B 容器中。

3 、实验现象

松开按住管口的手指后,你会看到水从 A 容器中经过管子流入 B 容器中。

同学们能看懂这个图示吗?来看一看解析,随便来回顾一下气体与液体的压强知识吧:

气体的压强与液体的压强:一个物体如果对另外一个物体有力的作用就会产生压强,而大气也有压强,原因是大气受到重力作用,而且具有流动性,同时水也有压强,比如说有一杯水,此时水面具有大气,因此有大气压强 P0,P0 大概是10^5 帕斯卡。1 帕斯卡的意思把一牛顿的力作用在一平米的面积上,产生的压强就是 1 帕斯卡,那么假如说管子里的水的高度是 h,由于水会造成一个附加压强,这个附加压强有多大呢?它是ρgh,ρ是液体水的密度,g 代表重力加速度,h 代表高度,高度越高,水的压强就越大,因此一段高度为h并装满水的管子的底面处,液体对管子底面的压强一共有多大,应该是 P0-ρgh,其中 P0 代表大气

的压强,而ρgh 是液体的压强,液体高度越高压强越大,而大气压强各处几乎都是一样的。

那么回顾了气体压强与液体压强的知识后,我们一起来分析一下,我们会发现,图中A端的压强 PA=P0-ρgh0,B端的压强 PB=P0-(ρgh0+ρgh1),显然 PA>PB,水会由压力大的A端流向压力小的B端,直到两边的大气压力相等,容器内的水面变成相同的高度,水才会停止流动。

前面我们学习了许多有关水和水循环的知识,请同学们回顾一下前面我们所学的知识,说一说你对“虹吸现象”的理解以及在生活中你还见过哪些“虹吸现象”被用在工业产品中。

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