高烟柱之谜

高烟柱之谜

Tall Chimney

为什么我们看到的烟囱总是高高的？没有风时，从烟囱里冒出来的烟柱也是高高直直的，如图1所示，你知道这是为什么吗？

图1　烟柱

实验装置

两个相同体积的大烧杯、不同长度的玻璃漏斗各一个、两个铁架台、两个石棉网、两个酒精灯、少许高锰酸钾。按图2装置搭好，将高锰酸钾放入烧杯底部的中间。固定好玻璃漏斗，使它与烧杯底部悬空，以便水流动。将两个烧杯缓慢加满水后，放在两个铁架台石棉网上同时加热。

图2　玻璃漏斗装置示意图

现象观察

当两个酒精灯同时加热之后，我们可以观察到长漏斗烧杯中的水流动得较快。而且紫红色水流离开漏斗后，长漏斗中的紫红水柱比短漏斗中的要高。

图3　玻璃漏斗装置实物图（左边为长漏斗，右边为短漏斗）

现象解密

漏斗中的水受到向上的浮力（f=ρ₁gV）与向下的重力（G=ρ₂gV）作用，其中ρ₁为烧杯中漏斗之外水的密度，ρ₂为漏斗中水的密度，加热前ρ₁=ρ₂，F=f－G= 0。在加热过程中，漏斗内的水温比漏斗外的水温高，于是ρ₁＞ρ₂，浮力大于重力，漏斗中的水开始向上运动，烧杯中的水形成对流。同样漏斗中的水还存在着上下温差，所以在上升过程中受到的合力F不断变化。根据动量定律Ft=Δ(mv)，水向上加速。长漏斗两端的高度差Δh大，其两端的压力差也就大，其中水的流速也就更快。当热水离开漏斗时，长漏斗中的水流具有更大的速度，所以我们可以观察到在长漏斗的烧杯中，离开漏斗之后的紫红色水柱比较高。

应用拓展

根据上述实验，从物理原理来分析如何设计高效、节能而又环保的烟囱？

节能高效。利用烟囱中热气体自身的热能使气体排放到高空。温度越高，烟囱内气体越膨胀，相同情况下单位体积受到的重力就越小，浮力与重力的差值（合力）就越大；另一方面，烟囱越高，烟囱内的热气体在合力作用下运动的时间也越长，浮力产生的压强就越大，排烟能力也越强。若没有风，当离开烟囱之后，热气体往上运动的过程中温度不断降低，速度也逐渐变慢，当与大气温度相近时，烟就水平扩散了。

在大气中的任何物体，包括空气本身都会受到来自于空气的浮力。但空气为什么还能保持平衡（不考虑吹风现象）而不上浮呢？因为空气除了受到向上的浮力，还受到自身重力的作用，通常情况下浮力与重力相等，所以就保持平衡。“烟囱越高，排烟能力越好”，不是因为越高空气压强越小，如果真的是这个原因，别说烟囱里的空气会自己往上流，就是地面的空气也全都往上跑了。

环境保护。烟囱高除了可以使尚未燃烧充分的物质在烟囱中继续燃烧，还可以在烟囱中进行部分物质回收等。

当然烟囱也不是越高越好，需要综合考虑建筑费用、环境保护和使用效能等因素。

思考题

1.解释生活中一些炊具所包含的物理原理，如图4和图5中的烧水壶、煤饼炉和煤油灯。

图4　烧水壶、煤饼炉

图5　煤油灯

2.如何通过吹牙签来戳破气球？

3.你如何理解出自唐代诗人王维《使至塞上》的名句：“大漠孤烟直，长河落日圆。”