“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)

泥娃撒尿示意图要想使"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。

pV图


发布时间:2006/4/18 14:50:01  阅读次数:9328

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