粉碎可以

需要:

一个可以密封的金属罐,水,钳子或烤箱手套

应对方法:

在罐子里放一点水(大约50毫升)。

  1. 把罐子放在炉子上,直到水沸腾。
  2. 关掉炉子,盖上罐头盖子。你可能需要把易拉罐从炉子上拿出来,或者把它放在水里冷却——用钳子或烤箱手套来做,因为易拉罐会很热。

会发生什么

当水沸腾时,它变成一种气体,有时被称为蒸汽水。与液态水相反,气态水扩散或膨胀以占据其容器的体积。

在这个实验中,当易拉罐打开时,水蒸气分子可以在易拉罐和周围环境之间交换。这也意味着罐子内外的压力是相等的。

当罐子被密封时,水分子被困在里面。

一旦我们停止加热,用现在被困住的水蒸气分子密封罐子,罐子里的温度就开始下降。随着温度的降低(冷却),部分水蒸气会凝结(变成液体),并减少在罐子里的空间。当这种情况发生时,罐子内的压力也在减小。现在罐外的压力大于罐内的压力,随着罐内的水和空气不断冷却,这种差异将会增加。

在某些时候,压力差会太大,罐子外面的压力更大,会导致罐子被压碎。

如果容器壁的刚性增加,则更难以压碎罐头。想想潜艇或宇宙飞船的设计规范——见下文。

再多一点

当气球充气时,会产生类似但相反的效果。在这种情况下,气球内部的压力大于外部,导致气球膨胀。超过临界压力,气球甚至会爆炸!

现在把一个充气气球放在冰箱里,观察会发生什么。

冰箱里的气球应该比热气球更小,压力更低。当空气冷却时,空气分子会减速并靠得更近(缩小的气球)。随着空气变暖,空气分子变得更加活跃,四处飞行,相互碰撞更多,并在气球内部产生更高的压力(膨胀的气球)。

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避免挤压和爆炸

了解压力如何以这种方式工作是很重要的,尤其是在我们设计潜艇或宇宙飞船等东西时。例如,我们的澳大利亚柯林斯级潜艇的最大潜水深度为180米。在海平面,我们说有1个大气压。水深每增加10米,这种压力就会增加1个大气压(也就是说,当你潜入池底时,你的耳朵会感到疼痛。那是不断增加的水压压扁你的耳道——耳咽管)。因此,澳大利亚潜艇需要能够承受18个大气压,这是一个很大的压力(约260 psi)。无人潜航器比潜艇要深入得多。

HMAS COLLINS抵达悉尼港。图片来源:澳大利亚皇家海军

美国宇航局宇航员向真空(和地球)望去。图片:美国国家航空航天局

宇宙飞船的体验正好相反。当他们进入太空时,他们经历了压力的减小,直到他们到达太空的真空,那里基本上是零压力。一旦进入太空,宇宙飞船内部的压力就会高于外部。飞船内部的压力是保证宇航员存活所必需的。如果航天器的外壳上有一个缺口,空气就会冲出来降低压力,直到它达到与航天器外部相同的压力(即零)。我们无法在真空中生存。首先,我们体内所有的水都会沸腾,因为液体的沸腾温度随着压力的减小而降低。NASA有一个很棒的资源/教案这就解释了这一切。

作者:Olivier Bleu (FLEET研究员)

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