Thí nghiệm 10.7 · Chu trình nhiệt của chú vịt uống nước

Phòng thí nghiệm Vật lí · Thí nghiệm 10.7

Chu trình nhiệt của chú vịt uống nước

Từ trao đổi nhiệt đến chuyển động cơ học. Trong bình thủy tinh kín có chất lỏng dễ bay hơi; nỉ ẩm ở đầu bay hơi làm đầu lạnh hơn thân, chênh lệch áp suất hơi đẩy chất lỏng lên ống, rồi chú vịt cúi xuống uống nước và lặp lại.

Δ P = ρ g h

Chênh lệch áp suất biến thành chuyển động gật đầu như thế nào?

Nhìn xuyên qua lớp kính, theo dõi cột chất lỏng, miệng ống và tâm khối.

● Giai đoạn 1 · Nỉ ướt, nước bắt đầu bay hơi

Góc nhìnKéo để xoay · cuộn để phóng to

Số lần cúi: 0

Áp suất hơi: thân so với đầu

Gần bằng nhau

Miệng ống và mặt thoáng

Ngập · khí bị ngăn

Tâm khối so với trục quay

Thấp, dưới trục

Chênh lệch áp suất hơi ΔP theo thời gian (vạch đứt: ΔP cần để chú vịt nghiêng)

Đầu lạnh hơn thân ΔT

0 K

Nhiệt độ đầu

25 °C

Chênh lệch áp suất ΔP

0 Pa

Cột chất lỏng h = ΔP/ρg

0 cm

ΔT tới hạn ΔT_c

0,52 K

ΔT_max (nỉ ướt, không khí khô)

3,2 K

Độ ướt của nỉ

100 %

RH tối đa để hoạt động

83,7 %

Quan sát theo giai đoạn

① Nỉ ướt, nước bắt đầu bay hơi

Đang chạy

Nỉ ở đầu thấm nước. Nước bay hơi lấy nhiệt của đầu, đây là điều kiện để cả chu trình chạy.

Nhiệt độ đầu (so với thân)

Bằng thân

Khí ở bầu trên

Chưa bị ngăn cách

Quan sát theo chu trình

Làm ướtDâng lênNghiêngTrở về

Cho phép nước ở nỉ bay hơi

Quan sát: chênh lệch áp suất đẩy cột chất lỏng lên, không phải nước bị hút lên. Chuỗi năng lượng: nhiệt của môi trường → nội năng → cơ năng.

Giải bài toán bằng thí nghiệm

Chú vịt đứng yên, thân ở 20 °C, đầu lạnh hơn thân 0,5 K. Biết gần 20 °C, áp suất hơi bão hòa của diclometan tăng khoảng 1,92 kPa cho mỗi kelvin. Tìm chênh lệch áp suất hơi ΔP giữa thân và đầu.

Bước 1 · Tự giải ra giấy, nhập đáp số của em

Chênh lệch áp suất ΔPPa

Bước 2 · Nạp số liệu của đề vào thí nghiệm

Đại lượng	Em tính	Thí nghiệm đo
Chênh lệch áp suất ΔP	—	chưa đo

Khớp nếu sai lệch không quá 1% (chấp nhận làm tròn).

Môi trường

Nhiệt độ không khí

°C

Độ ẩm không khí RH

Tốc độ mô phỏng

Cốc có nước (mỏ chạm vào là nỉ ướt lại)

Đo khi đứng yên

Khóa chú vịt thẳng đứng và đặt tay độ lạnh của đầuĐầu lạnh hơn thân ΔT

Khi khóa, chú vịt không nghiêng nên bạn đọc được ΔP và độ cao cột chất lỏng ngay cả khi ΔT lớn hơn ΔT_c (cột chất lỏng vẽ tối đa tới đầu ống).

Công thức

Hơi bão hòa: $p_{hơi} tăng nhanh theo nhiệt độ$

Đầu lạnh hơn thân: $p_{thân} - p_{đầu} = Δ P \approx (\frac{d p}{d T}) \cdot Δ T$

Cột chất lỏng: $ρ \cdot g \cdot h = Δ P$

$Nghiêng khi h \geq h_{c}$ (tâm khối vượt trục quay)

Đầu lạnh: $Δ T = Δ T_{\max} \cdot (1 - R H) \cdot độ ướt$

Ứng dụng thực tế

Bay hơi làm mát: cùng cơ chế như mồ hôi, tủ làm mát bằng nước, bình gốm đựng nước và quạt phun sương.
Ống nhiệt (heat pipe): chất lỏng bay hơi ở đầu nóng, ngưng tụ ở đầu lạnh rồi chảy về, truyền nhiệt rất nhanh trong máy tính xách tay và vệ tinh.
Động cơ nhiệt: chú vịt là một động cơ nhiệt nhỏ chạy nhờ chênh lệch nhiệt độ rất nhỏ giữa đầu và thân. Nó không phải động cơ vĩnh cửu: năng lượng lấy từ không khí ấm và sự bay hơi của nước.

Mô hình định tính kèm số liệu gần đúng: chất lỏng là diclometan (áp suất hơi theo công thức Antoine), thân luôn cùng nhiệt độ với không khí. Ngưỡng nghiêng h_c = 9 cm; thời gian làm lạnh và thời gian khô của nỉ được rút ngắn để dễ quan sát nên chú vịt thật chậm hơn nhiều. Kích thước và tâm khối chỉ mang tính minh họa.

Chu trình nhiệt của chú vịt uống nước

Đại lượng

Em tính

Thí nghiệm đo

Chênh lệch áp suất ΔP

—

chưa đo