利用滲透作用初探“流體永動(dòng)機(jī)”

趙漢卿

(山東省泰安第一中學(xué)高一23班 271000)

一、實(shí)驗(yàn)

1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

改造滲透實(shí)驗(yàn)，嘗試制造流體永動(dòng)機(jī).

2.儀器與試劑

半透膜、燒杯、鐵架臺(tái)、漏斗、膠頭滴管、橡膠軟管、細(xì)線、冰糖、綿白糖、清水、玻璃棒、剪刀、筷子、T型管.

3.實(shí)驗(yàn)原理

在這個(gè)裝置中，燒杯中裝有蒸餾水，水中放置一個(gè)裝有蔗糖溶液的漏斗，漏斗下端開(kāi)口處封有一層半透膜.所以水會(huì)透過(guò)半透膜進(jìn)入到蔗糖溶液中，漏斗液面就會(huì)升高.假設(shè)漏斗中液面可以達(dá)到的高度大于漏斗的長(zhǎng)度，那么蔗糖溶液在達(dá)到原本能達(dá)到的高度之前，會(huì)先到達(dá)漏斗末端而溢出，因此筆者在漏斗的末端開(kāi)口處無(wú)縫接上一段彎曲的塑料軟管，把軟管末端朝向豎直向下，處于燒杯液面的正上方.在塑料軟管的末端封上一層半透膜.

那么蔗糖溶液在上升的過(guò)程中就會(huì)逐漸充滿(mǎn)軟管，在這之后，漏斗下端還會(huì)不斷有水進(jìn)入，水的擠壓與蔗糖溶液所受的重力作用會(huì)使蔗糖溶液從漏斗末端的軟管處下落流出.又因?yàn)槁┒纺┒说能浌芴幱幸粚影胪改?，就?huì)導(dǎo)致蔗糖分子無(wú)法通過(guò)，只有水能不斷透過(guò)半透膜落下，繼續(xù)匯入燒杯中.那么整個(gè)裝置的水的總量不變且不會(huì)進(jìn)入燒杯而使燒杯中溶液濃度增加.

在整個(gè)過(guò)程中，水就相當(dāng)于通過(guò)這個(gè)裝置先進(jìn)入漏斗，上升，重力勢(shì)能增加.然后再通過(guò)漏斗末端出來(lái)回落入燒杯中，重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能.那么我們就可以利用水從漏斗出來(lái)之后下降過(guò)程中重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化的這段動(dòng)能來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)生活，可以說(shuō)是“永動(dòng)機(jī)”.

4.實(shí)驗(yàn)方法

(1)尋找半透膜或其代替品

半透膜是一種只給某種分子或離子擴(kuò)散進(jìn)出的薄膜，對(duì)不同粒子的通過(guò)具有選擇性的薄膜，它只允許水分子透過(guò)，而不允許蔗糖等溶質(zhì)通過(guò).筆者起初尋找到魚(yú)鰾與雞蛋的卵殼膜作為代替品.但是又由于這兩種材料的制備過(guò)程更為復(fù)雜，最后經(jīng)輾轉(zhuǎn)，又從網(wǎng)上買(mǎi)到了半透膜.

(2)蔗糖溶液的配置

由于綿白糖作為溶質(zhì)，可用半透膜滲透幾次之后滲透出的是糖水，所以筆者選擇了使用冰糖來(lái)配置蔗糖溶液，并盡量將其配至高濃度.

(3)滲透

把半透膜用細(xì)線緊縛在漏斗上，把覆蓋有半透膜的一段向下用膠頭滴管從另一端注入蔗糖溶液，漏斗的玻璃管一段接上一小段橡膠軟管，把半透膜用細(xì)線緊縛在T型管的右端，把其下端與橡膠軟管相連，再將T型管順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度，使覆蓋有半透膜的一段向下，為了減少等待水通過(guò)滲透作用上升的時(shí)間，漏斗內(nèi)液面高于燒杯液面，低于漏斗管與T型管連接處.而漏斗內(nèi)液面仍可通過(guò)上升或下降來(lái)向最大高度變化.將整個(gè)裝置放在鐵架臺(tái)上，固定漏斗高度，出于器材限制，將一雙筷子固定在鐵架臺(tái)上把它架在T型管與漏斗相連的那個(gè)分支上，固定T型管的角度，注意T型管覆蓋有半透膜的一段的最下端一定要在液面上方，為其滴水方便還可T型管順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一個(gè)小角度，整個(gè)裝置就成為一個(gè)滲透系統(tǒng).之后觀察現(xiàn)象.

二、結(jié)果與討論

1.半透膜的實(shí)驗(yàn)效果

從網(wǎng)上購(gòu)買(mǎi)的半透膜形似塑料膜，干燥時(shí)質(zhì)地較硬，不便于包裹漏斗；浸水后質(zhì)地較軟，便于包裹漏斗.但其包裹蔗糖溶液時(shí)透出的不只是水，還有一些甜味.其在包裹墨水、牛奶時(shí)也會(huì)部分通過(guò)溶質(zhì)可見(jiàn)購(gòu)買(mǎi)的半透膜并不能完全阻止溶質(zhì)透過(guò)，只能減小透出液的濃度.

2.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

除去實(shí)驗(yàn)裝置過(guò)于簡(jiǎn)陋或有重大失誤，在約5次正常的實(shí)驗(yàn)中，每一次實(shí)驗(yàn)從開(kāi)始到結(jié)束，都能看到蔗糖溶液中的糖分在不斷滲入燒杯的清水中，在半透膜下面呈現(xiàn)出近乎透明的煙的形狀.盡管如此，5次實(shí)驗(yàn)中有4次T型管都能持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間滴含糖分的水，回滴入燒杯中.隨著時(shí)間推移，滴水的速率逐漸變慢.在整個(gè)有長(zhǎng)時(shí)間間斷的實(shí)驗(yàn)觀察過(guò)程中，T型管始終未滴水，但在旋轉(zhuǎn)T型管之前，漏斗中的液面短時(shí)間內(nèi)未變化.

3.分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與反思

(1)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析

因?yàn)閷?shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)T型管內(nèi)部是干燥的，那么T型管能持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間滴含糖分的水也從側(cè)面證明了T型管的情況并不影響漏斗處的滲透作用，那里依然在發(fā)生滲透作用，水分子進(jìn)入漏斗，液面想要上升.所以在較短時(shí)間內(nèi)，漏斗內(nèi)的蔗糖溶液濃度高于外界不斷有糖融入的水的濃度，而且這個(gè)不合格的半透膜仍能發(fā)生滲透作用，只是隨著時(shí)間推移，漏斗與燒杯中溶液的濃度會(huì)最終相等，那么滲透作用就不會(huì)再發(fā)生，T型管不會(huì)再滴水，漏斗與燒杯的液面會(huì)相平.所以實(shí)驗(yàn)未達(dá)成最初的目標(biāo)，實(shí)驗(yàn)失敗.

(2)實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的啟示

通過(guò)這次實(shí)驗(yàn)，筆者從知識(shí)、實(shí)驗(yàn)技能、科學(xué)精神上都有了很大收獲：

①通過(guò)多次失敗，筆者認(rèn)識(shí)到做實(shí)驗(yàn)前一定要做好充足的準(zhǔn)備，做好周全的計(jì)劃，預(yù)先分析可能出現(xiàn)的失誤并避免它.收集實(shí)驗(yàn)器材時(shí)驗(yàn)通過(guò)多種途徑尋找，充分比較好再動(dòng)身，采取耗時(shí)最短且效果最好的方案.

②對(duì)滲透作用的原理有了更為深刻的理解，并在上網(wǎng)搜索資料的過(guò)程中學(xué)習(xí)了熱力學(xué)第二定律、能量守恒定律、第一類(lèi)與第四類(lèi)永動(dòng)機(jī)、半透膜、流體永動(dòng)機(jī)的相關(guān)知識(shí)，發(fā)現(xiàn)我的想法其實(shí)就是流體永動(dòng)機(jī)的原理，激發(fā)了自己學(xué)習(xí)更多知識(shí)的好奇心.

③這次實(shí)驗(yàn)探究，其過(guò)程可謂是回環(huán)曲折，但是真是通過(guò)不斷的質(zhì)疑，驗(yàn)證，否定再質(zhì)疑的探究過(guò)程，是我真正體會(huì)到了過(guò)程的樂(lè)趣；也是我深深理解科學(xué)探究的真諦，克己、嚴(yán)謹(jǐn)，務(wù)實(shí)、求真的精神，也讓我感受到在今后的學(xué)習(xí)道路上，再遇到類(lèi)似的問(wèn)題時(shí)提供了指引和參考.

僅靠這幾次簡(jiǎn)陋的實(shí)驗(yàn)，筆者認(rèn)為并不能得出流體永動(dòng)機(jī)是否存在的結(jié)論.但T型管的滴水著實(shí)讓我看到了流體永動(dòng)機(jī)存在的希望，或許我們用真正的半透膜(完全不透蔗糖)去做實(shí)驗(yàn)，就能使水分子在分子運(yùn)動(dòng)中，透過(guò)滲透作用不斷地上升再下落這樣循環(huán)，讓他把它的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能與動(dòng)能，在內(nèi)能減少后吸收空氣中的內(nèi)能，再轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，就能真正制成流體永動(dòng)機(jī)呢？或者說(shuō)開(kāi)發(fā)一種新的能源的利用：空氣內(nèi)能？