虹吸效應

分子引力與勢能差導致管道中液體流動的現象

從物理學角度來看,液體管道中,由於液態分子之間存在引力以及位能(重力勢能)差,液體會由壓力大的一邊流向壓力小的一邊,這種現象被稱作虹吸效應,又稱虹吸現象。管路兩邊水(液體)面儘管大氣壓強相同,但由於存在重力勢能差,壓大的一邊水會在重力作用下向下流,直到管路兩邊的大氣壓力加水壓相等,水就會停止流動。利用虹吸現象,人們可將容器內的水抽出。

目前,虹吸原理已在現代建築排水,市政排水,水利工程等方面得以應用。

虹吸現象


虹吸管是一項古老的發明。中國人很早就懂得應用虹吸原理,並應用虹吸原理製造的虹吸管,在中國古代稱“注子”、“偏提”、“渴烏”或“過山龍”。東漢末年出現了灌溉用的渴烏。西南地區的少數民族用一根去節彎曲的長竹管飲酒,也是應用了虹吸的物理現象。
事實上,虹吸現象的發生並非取決於大氣壓力,真空中同樣可以產生虹吸現象。液體間分子的內聚力也可使得液體上升。虹吸現象發生時,由於管子內往外流的液體比流入管子內的液體多,兩邊的重力不平衡,所以液體就會繼續沿一個方向流動。直到管內兩邊的大氣壓力加液壓相等,液體就會停止流動。
如果液體內存在氣體(氣泡),就會破壞虹吸作用,因此管子內一定要裝滿水。正常的大氣壓下,虹吸管的作用比在真空時好,因為兩邊管口上所受到的大氣壓提高了整個虹吸管內部的壓力。

熱虹吸效應


設想一下,太陽能集熱器內儲滿冷水,當太陽能集熱器吸收太陽能時,裡面的水受熱膨脹,密度變小,就上升到上面的熱交換器中。而密度較大的冷水則迴流到集熱器的底部,在吸收了熱能后,繼續膨脹上升。這種熱循環運動被稱為熱虹吸效應。集熱器和熱交換器之間的溫差越大,水體在兩者之間的循環流動的速度越快,熱虹吸效應就越顯著。

工程應用


上個世紀60年代,瑞典的幾位科學家把虹吸的原理應用到現代建築上去,最初解決了建築屋面的雨水排水系統,當時在研究的初期,採用的是一種滿管壓力流的系統,從而在管道式屋面雨水排放系統方面取得了重大突破。虹吸原理在現代建築排水,市政排水,水利工程等各方面均有應用。