“泥娃撒尿”与气体定律

"泥娃"是由泥沙烧制而成的貌似幼童的棕色陶质玩具，由于其近似泥土之色彩，故有泥娃之称。另外经正确操作后，会使其从脐部之下向外喷水，犹如孩童撒尿，故又有"小尿人儿"之称。

观其"撒尿"，颇有情趣，深得儿童所喜爱。那么"泥娃"缘何会"撒尿"呢？究其原因，是巧妙地利用了气体性质的三个定律，现分析如下：

一．等压灌水（盖·吕萨克定律）

要想使"泥娃"撒尿，就必须让其先喝水（灌水）。如何让它喝水是首先要解决的问题。图是"泥娃"的结构原理图。从图可知，它是一个中空的腔体，其脐下有一个针孔大小的开口经由前腔壁上的通道与腔内相连。由于孔径大小尚不足半毫米，直接由此灌水是不行的，必须设法使腔内气体向外排出些，再让腔内气体收缩后，靠外界大气压力将水压入腔内，实现灌水。具体做法是：将"泥娃"没入热水中，水温应高于当时的环境温度T ₀ 。当"泥娃"没入热水中后，便可看到从其脐下的开口（下称喷水口）往外冒气泡，待腔体与热水的温度相同（达到热平衡）时，排气停止，为灌水做好准备。当排气停止时，用手指堵住喷水口，迅速将"泥娃"从热水中捞出，并放入冷水中移去堵喷水口的手指，冷水就会自然地从喷水口灌入腔体了。当腔内气体温度与冷水温度 T₀ 相同时（再次达到热平衡），灌水过程结束。这一过程为气体等压冷却过程。符合盖·吕萨克定律。因在灌水开始的瞬间，水已将喷水口堵住，腔内气体的质量就一定了。此时腔内气体的体积为 V₁ ，温度为 T，压强为 p₀ （大气压强）。经时间t后，气体温度与冷水温度相同，体积为 V₂ ，由盖吕萨克定律可求出 V ₂ ＝T ₀ V ₁ /T，由于 T₀ ＜T，则 V₂ ＜ V₁ ，可见，气体体积收缩，冷水乘虚而入是自然的了。

二．等容升压，储能过程（查里定律）

灌水结束后，用手指堵住喷水口，将泥娃再次按入热水中加热。当初，由于喷水口被手指堵住，水不能外流，腔内气体体积也就恒定了，其压强、温度仍与外界的压强 p₀ 、温度 T₀ 相同。随着加热的进行，腔内气体与热水又达热平衡时，其温度变为T，压强为p，由查里定律得 p＝Tp ₀ /T ₀ ，因T＞T ₀ ，则 p＞p ₀ 。可见腔内气体温度上升后，压强增大了。

三．等温膨胀过程，喷水（玻意耳定律）

当等容升压过程结束后，就可将"泥娃"从热水中拿出，使其居正立位，移去按压喷水口的手指，便立刻可看到水从喷水口喷出。随着腔内水量的减少，气体体积膨胀，压力自然减小，喷水射程也逐渐减小，待腔内压强和外界压强p₀ 相等时，喷水结束。由于喷水过程极为短暂，仅几秒钟，腔体温度尚未下降，则气体温度也基本恒定，可近似地认为是等温膨胀过程，遵从波意耳定律。由此可求出 V ₂ ＝pV₁ /p ₀ ，由于p＞p₀ ，则 V ₂ ＞V ₁ 。气体膨胀了，将水挤出是自然的。

纵观"泥娃撒尿"之全过程，每一部分过程都是极好地运用了气体的相关性质，不失为气体三定律应用之典范。我们还可用p—V图，形象地将各过程表示出来，如图所示。图中，状态I到状态II是等压收缩——灌水过程；状态II到状态III为等容升压——储能过程；状态III到状态I为等温膨胀——喷水过程。还有诸如"佛降雨"、"龟嬉水"之类的玩具，与"泥娃撒尿"原理相似，只不过腔体造型不同而已。

发布时间：2006/4/18 下午2:50:01  阅读次数：10084