电风扇上装矿泉水瓶,会让人感到凉快,但绝对不是空调。背后的物理就是伯努利方程 + 理想气体状态方程。
下面展开说一下。
矿泉水瓶粗的一端紧贴风扇,窄的一端对着人,形成了一个横截面变化的管道。
按照伯努利方程
,这里 P 是空气的静压力,
是空气的密度,v 时空气的流速,g 是重力加速度,h 是矿泉水瓶的位置高度。
矿泉水瓶可以认定是水平摆设的,所以第三项
可以认定是不变的。
那么在塑料瓶横截面变化的两侧,就有下面这个式子:
1 代表矿泉水瓶粗的一段,2 代表矿泉水瓶窄的一端。
而,风扇稳定功率吹风,导致风在矿泉水瓶中单位时间内通过某一截面的流体体积不变,也就是满足流体连续性方程,表示成公式就是
,
表示两侧的管道截面积。
因为有
,所以,当空气从粗管道到细管道的时候,空气的流速会增加,也就是
,进而根据上面的等式,可以得到
,也就是说:空气由粗管道传到细管道的时候,会经历速度增加,压力减小的过程。
好了,说到这,我们已经提取到了两个最关键的信息了,增大的速度和减小的压力。总结一下就是下面这张图。
增大的速度可以让人感觉到凉快,这个比较显而易见。流速变大,能够带走更多的热量。
大家可以拿出自己的手放在自己的嘴前面,然后一会使劲儿吹气,一会再慢慢吹气。使劲儿吹气的时候,会感觉到凉快;慢慢吹气的时候,会感到暖和。其实,气都是从肺里排出来的,唯一的不同是流速的不同。这个跟电风扇上装瓶子,流速快了,人感到凉快是一个道理。
减小的压力,如何让人感到凉快呢?
这就要提到我们的第二个物理方程,理想气体状态方程:
,当然这里大家也可以用更加复杂的范德华方程
来分析,其实分析的结论是一样的,为了方便讨论,这里还是使用理想气体的状态方程。
方程里,P 是气体压力,V 是气体体积,n 是气体的摩尔数,R 是理想气体常数,T 就是气体的温度啦。
根据由伯努利方程得到的
,结合理想气体状态方程,我们可以得到
也就是说,矿泉水瓶粗的一端的温度
大于矿泉水瓶窄的一端的温度
。
所以,的确电风扇上装矿泉水瓶的确可以让人觉得凉快。但是这并不是空调,因为把屋子作为一个封闭的系统,整个屋子能量守恒,屋子并不会因为风扇的存在而整体降温。而对比空调,空调因为存在压缩机和冷凝器,可以持续将热气排出,保持室内低温。
好了,就这么多,讨论完毕。
评论区说有人用测温枪做了实验,没有效果。我找了下相关的视频如下图。
实验里的两个瓶子的摆设位置在我来看并不合理,热力学方程是一个高斯解,分辨率不高,需要距离大一些,一个正对着风扇,一个离风扇较远。
7.2 日更新。
谢谢大家的评论,一并做一下回复。
许多物理公式都是对复杂现实世界的简单建模或者是在一些约束条件下的建模。所以,当这样的物理公式来模拟现实世界的时候,难免会出现:理论很丰满,现实很骨感的情形。
就像题目中这样一个简单的问题,除了题目中我讨论的流速和压力因素,还会有 @老年 DLCZMU 提到的“外函道”因素,即瓶子与瓶子之间也会有管道,由细到粗;还有 @呀哈哈 和 @smill 啦啦啦 和@火砖 提到的“瓶口气流减速”的因素,还有 @莉娜 43 提到的“电风扇也会产生热量”的因素等等。
这些都合理。至于哪个因素占主导,就是实际操作里的工程问题了。比如,可以通过改变塑料瓶的形状消除外函道,也可以通过增加瓶口面积,减弱“瓶口气流减速”的现象,也可以改变电风扇的位置来减少屋内产热等等。所以,在已知条件多变的情况下,讨论也是多种多样的。
这就是为什么很多科学工作都必须要做实际资料验证,即使理论再完美,都需要在现场上验证。理论数据通过,实际数据 fail 的例子也很多。理论的研究通常情况很难全方位的把控所有的问题,也需要在实际问题中反复测试,反复修改建模,所以很多时候,最初的科学问题在解决实际问题的时候会逐渐工程化,变成一个工程问题。
物理公式本身是建模后的结果,所以它一定是抽象的。当一个单一的物理公式摆着大家面前的时候,是很难产生兴趣的,甚至是枯燥的。我回答这些趣味问题的初衷之一,是希望通过一个个有趣的问题,把这些本身抽象化的公式,实例化,趣味化,帮助大家接受。这样一个简单的问题,不就了解了伯努利方程 + 理想气体状态方程。
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