钻烟囱的圣诞老人原来是个“危险”职业?!

作者: 荔枝 & 荷塘 & 婷子

来源: 中科院物理所

发布日期: 2022-04-23 11:35:48

本文通过实验展示了钻烟囱的圣诞老人面临的危险,详细描述了实验过程和原理,揭示了热空气和冷空气的对流现象以及烟囱效应的作用。

平安夜的晚上,大家都在等着圣诞老人的到来,但其实钻烟囱是个技术活,一不小心就会翻车。实验器材包括所标杯、蜡烛、打火机、胶带、剪刀、硬纸板、玻璃罩。首先,我们将蜡烛立在所标杯中,点燃两个蜡烛,发现蜡烛平稳的燃烧。然后,我们将两个蜡烛置于敞口玻璃容器中,火焰会产生波动。如果将两个蜡烛的烛焰靠近,火焰会剧烈跳动。用硬纸板制成带孔的盖子和两个长筒,将硬纸板盖在玻璃罩上,两个孔对准蜡烛,蜡烛很平稳的燃烧。

我们放上一个纸筒,制成一个烟囱,可以看到一侧的蜡烛剧烈的抖动,而另一侧的烛焰会像水母一样。最后,我们将两个烟囱都放上,可以看到两侧烛焰交替抖动。

我们知道,热空气比冷空气的密度低,所以热空气会上升、冷空气会下降,形成对流。

在空旷的空间里,由于火焰周围的空气温度都较低,所以火焰附近的热空气会迅速与周围空气交换,形成一个较为平滑的温度梯度,所以火焰在没有风的情况下会维持稳定;而如果蜡烛在半封闭的空间中,比如水缸内,随着缸内温度的提高,与外界冷空气的交换只能发生在上方的敞口处,所以缸中的两个蜡烛周围的热空气向上方发散时偶尔会“打架”,使烛焰偶尔产生扰动。

烟囱起到了关键性的作用。

受于烟囱细长的形状,从局部的冷热空气交换变成了烟囱内外的空气交换:由于烟囱内聚集的是火焰处上升的热空气,烟囱内部逐渐变热,而烟囱外部依旧是冷空气。因此形成了烟囱内从下至上的热空气流,而在烟囱底部形成负压区,吸引周围的冷空气涌来,这就是烟囱效应。

在单烟囱的实验中,烟囱下方的火焰导致了烟囱效应的产生,使烟囱单向向上传输热空气而从四周吸收冷空气,而水缸内只有另一个出口能提供冷空气,因此出口下方的蜡烛受气流影响,火焰便被压了下去。在双烟囱实验中,两个蜡烛带来的热空气都想从上方的烟囱处上升,而需要另一个烟囱处“借”来冷空气,形成竞争关系。

随着冷空气涌入,抖动的蜡烛同时获得了新鲜的氧气,而平稳燃烧的蜡烛随着氧气含量降低,燃烧会减弱,使火焰强弱调换,主导烟囱效应的烟囱也因此调换。于是我们会看到左边蜡烛受气流影响抖动而右边蜡烛平稳,一会儿又反过来。

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