利用滲透作用初探“流體永動機”

趙漢卿

(山東省泰安第一中學高一23班 271000)

一、實驗

1.實驗目的

改造滲透實驗，嘗試制造流體永動機.

2.儀器與試劑

半透膜、燒杯、鐵架臺、漏斗、膠頭滴管、橡膠軟管、細線、冰糖、綿白糖、清水、玻璃棒、剪刀、筷子、T型管.

3.實驗原理

在這個裝置中，燒杯中裝有蒸餾水，水中放置一個裝有蔗糖溶液的漏斗，漏斗下端開口處封有一層半透膜.所以水會透過半透膜進入到蔗糖溶液中，漏斗液面就會升高.假設漏斗中液面可以達到的高度大于漏斗的長度，那么蔗糖溶液在達到原本能達到的高度之前，會先到達漏斗末端而溢出，因此筆者在漏斗的末端開口處無縫接上一段彎曲的塑料軟管，把軟管末端朝向豎直向下，處于燒杯液面的正上方.在塑料軟管的末端封上一層半透膜.

那么蔗糖溶液在上升的過程中就會逐漸充滿軟管，在這之后，漏斗下端還會不斷有水進入，水的擠壓與蔗糖溶液所受的重力作用會使蔗糖溶液從漏斗末端的軟管處下落流出.又因為漏斗末端的軟管處有一層半透膜，就會導致蔗糖分子無法通過，只有水能不斷透過半透膜落下，繼續匯入燒杯中.那么整個裝置的水的總量不變且不會進入燒杯而使燒杯中溶液濃度增加.

在整個過程中，水就相當于通過這個裝置先進入漏斗，上升，重力勢能增加.然后再通過漏斗末端出來回落入燒杯中，重力勢能轉化為動能.那么我們就可以利用水從漏斗出來之后下降過程中重力勢能轉化的這段動能來進行生產生活，可以說是“永動機”.

4.實驗方法

(1)尋找半透膜或其代替品

半透膜是一種只給某種分子或離子擴散進出的薄膜，對不同粒子的通過具有選擇性的薄膜，它只允許水分子透過，而不允許蔗糖等溶質通過.筆者起初尋找到魚鰾與雞蛋的卵殼膜作為代替品.但是又由于這兩種材料的制備過程更為復雜，最后經輾轉，又從網上買到了半透膜.

(2)蔗糖溶液的配置

由于綿白糖作為溶質，可用半透膜滲透幾次之后滲透出的是糖水，所以筆者選擇了使用冰糖來配置蔗糖溶液，并盡量將其配至高濃度.

(3)滲透

把半透膜用細線緊縛在漏斗上，把覆蓋有半透膜的一段向下用膠頭滴管從另一端注入蔗糖溶液，漏斗的玻璃管一段接上一小段橡膠軟管，把半透膜用細線緊縛在T型管的右端，把其下端與橡膠軟管相連，再將T型管順時針旋轉90度，使覆蓋有半透膜的一段向下，為了減少等待水通過滲透作用上升的時間，漏斗內液面高于燒杯液面，低于漏斗管與T型管連接處.而漏斗內液面仍可通過上升或下降來向最大高度變化.將整個裝置放在鐵架臺上，固定漏斗高度，出于器材限制，將一雙筷子固定在鐵架臺上把它架在T型管與漏斗相連的那個分支上，固定T型管的角度，注意T型管覆蓋有半透膜的一段的最下端一定要在液面上方，為其滴水方便還可T型管順時針旋轉一個小角度，整個裝置就成為一個滲透系統.之后觀察現象.

二、結果與討論

1.半透膜的實驗效果

從網上購買的半透膜形似塑料膜，干燥時質地較硬，不便于包裹漏斗；浸水后質地較軟，便于包裹漏斗.但其包裹蔗糖溶液時透出的不只是水，還有一些甜味.其在包裹墨水、牛奶時也會部分通過溶質可見購買的半透膜并不能完全阻止溶質透過，只能減小透出液的濃度.

2.實驗現象

除去實驗裝置過于簡陋或有重大失誤，在約5次正常的實驗中，每一次實驗從開始到結束，都能看到蔗糖溶液中的糖分在不斷滲入燒杯的清水中，在半透膜下面呈現出近乎透明的煙的形狀.盡管如此，5次實驗中有4次T型管都能持續較長時間滴含糖分的水，回滴入燒杯中.隨著時間推移，滴水的速率逐漸變慢.在整個有長時間間斷的實驗觀察過程中，T型管始終未滴水，但在旋轉T型管之前，漏斗中的液面短時間內未變化.

3.分析實驗現象與反思

(1)實驗現象分析

因為實驗開始時T型管內部是干燥的，那么T型管能持續較長時間滴含糖分的水也從側面證明了T型管的情況并不影響漏斗處的滲透作用，那里依然在發生滲透作用，水分子進入漏斗，液面想要上升.所以在較短時間內，漏斗內的蔗糖溶液濃度高于外界不斷有糖融入的水的濃度，而且這個不合格的半透膜仍能發生滲透作用，只是隨著時間推移，漏斗與燒杯中溶液的濃度會最終相等，那么滲透作用就不會再發生，T型管不會再滴水，漏斗與燒杯的液面會相平.所以實驗未達成最初的目標，實驗失敗.

(2)實驗帶來的啟示

通過這次實驗，筆者從知識、實驗技能、科學精神上都有了很大收獲：

①通過多次失敗，筆者認識到做實驗前一定要做好充足的準備，做好周全的計劃，預先分析可能出現的失誤并避免它.收集實驗器材時驗通過多種途徑尋找，充分比較好再動身，采取耗時最短且效果最好的方案.

②對滲透作用的原理有了更為深刻的理解，并在上網搜索資料的過程中學習了熱力學第二定律、能量守恒定律、第一類與第四類永動機、半透膜、流體永動機的相關知識，發現我的想法其實就是流體永動機的原理，激發了自己學習更多知識的好奇心.

③這次實驗探究，其過程可謂是回環曲折，但是真是通過不斷的質疑，驗證，否定再質疑的探究過程，是我真正體會到了過程的樂趣；也是我深深理解科學探究的真諦，克己、嚴謹，務實、求真的精神，也讓我感受到在今后的學習道路上，再遇到類似的問題時提供了指引和參考.

僅靠這幾次簡陋的實驗，筆者認為并不能得出流體永動機是否存在的結論.但T型管的滴水著實讓我看到了流體永動機存在的希望，或許我們用真正的半透膜(完全不透蔗糖)去做實驗，就能使水分子在分子運動中，透過滲透作用不斷地上升再下落這樣循環，讓他把它的內能轉化為重力勢能與動能，在內能減少后吸收空氣中的內能，再轉化為機械能，就能真正制成流體永動機呢？或者說開發一種新的能源的利用：空氣內能？