把烧瓶烧红到通红,再灌满自来水,塞上橡胶塞,插上一根多根导气管,这玩意儿看着像化学课的必考大题,实际上说白了就是个用热水“赶跑”二氧化碳的魔术。拿一个玻璃烧瓶,底下钻个孔,烧瓶外面套个橡胶圈,塞紧,再灌满自来水,这时候烧瓶里全是热水,瓶口全是气,空气跑出去了。
这时候别急着插管子,先把烧瓶烧红,让它自己把空气“烫”出来,这叫把瓶子里的空气“推”出去。等瓶壁转凉,空气又缩回去了,这时候再插上一根导气管,对准火焰,点燃它。 这时候你就看到了水柱喷出来,像个小喷泉似的。
为啥?出于烧瓶里本来有空气,你烧红让空气跑出去,瓶壁一凉空气又缩回来,这时候导气管里正好凑齐了火、水、气,这三样东西凑在一起,水就得往外跑,自然就喷出了。 你想想,这实际上是个挺好办的物理过程。烧瓶里装着水,水把气挤走了,只剩下空气。你把空气烧出了一个口子,气就跑了。等你把水凉快下来,空气又把这些口子堵上。
这时候你往火口插管子,空气正好流进管子,跟外面的空气混合,又一起烧出来。
故此这个喷泉,本质上就是靠温度变化让空气收缩、膨胀,把气体排出去,再让它重新回来,推动水流出来的。 大量人好办搞错,认定喷泉是出于烧得红。
实际上不然,烧红只是让空气跑出去的动作,真正让水喷出来的是高温让空气变小,降温让空气回到原位。
要是烧瓶没烧红,只是灌满水,那引燃导气管里的空气,烧瓶里的高压空气顶不住水柱,水柱就直挺挺的,不会喷出来。
只有烧红,烧瓶里的空气才能被“赶”出去,形成负压,水才能喷得老高。 还有人说,是不是出于烧瓶里的气压比外面低?这个得仔细琢磨。烧瓶里水把气排掉一局部,瓶壁一凉,气又缩回来,这时候瓶内的气压实际上比大气压低。当导气管伸进瓶子里时,瓶内气压小于外部气压,外部大气压就把空气压进去了,空气把水挤出去了。
不过最关键的还是烧红这一步,没有烧红,气出不来,整个负压就维持不住,水柱就稳住了,喷不出来。 为了更直观地说明,咱们能够拿个装置实测一下。假设咱们烧瓶里是标准大气压,101.325 千帕。灌满水烧红,让 100% 的空气跑出去,这时候瓶内气压就变成真空了,连外部大气压都推不动瓶子。
这时候再插导管,烧瓶里就是真空,空气一涌进来,把水柱顶起来。
这时候水柱的高度,理论上最大不会超过大气压能赞成的水柱高度,也就是 10.3 米左右。
那这时候瓶内是不是充满了空气?实际上大局部空气都跑出去了,剩下的一点点空气被压到了底部。 你看,要是就是单纯灌满水,不烧红,瓶内气压会慢慢升上来,和外部平衡,水柱就是直挺挺的,一辈子流不下去,要不就你用手堵住口,否则空气进不去。
故此,烧红这个动作,实际上是让空气“逃”出来的关键,它解决了瓶内气压低的难题,让水柱能被压起来。 还有几个细节咱得注意。
比如导气管要有气孔,不然气体过不去。导气管要是忒细,阻气流,水喷得就小;要是忒粗,水流就散开。
还有导气管的接口,要是密封不好,空气可能从接口跑掉,喷泉就没了。
另外,烧瓶里的水要是沸腾了,可能会溅出来要么炸裂,这时候得小心点。 我还记得有个同学做这个实验,他把烧瓶里的水烧红了,结局导气管没插紧,水柱就断了一截。
后来他检查了下,发现是接口没塞紧。
这说明实验成功的关键在于气密性,气密性好,水柱才能喷得高,喷得久。 最终总结一下,这个喷泉实验的原理就俩字:热胀冷缩。烧瓶烧红,空气跑,瓶内气压下降;水凉,空气回,瓶内气压上升,把水柱顶起来。
只要抓住这两个环节,就能明白为啥烧瓶不烧红就没喷泉,为啥一定要烧红,水柱才能在瓶子里喷得老高。
这实际上是个挺经典的初中化学实验,但原理背后全是气压和温度的游戏规则。