利用渗透作用初探“流体永动机”

赵汉卿

(山东省泰安第一中学高一23班 271000)

一、实验

1.实验目的

改造渗透实验，尝试制造流体永动机.

2.仪器与试剂

半透膜、烧杯、铁架台、漏斗、胶头滴管、橡胶软管、细线、冰糖、绵白糖、清水、玻璃棒、剪刀、筷子、T型管.

3.实验原理

在这个装置中，烧杯中装有蒸馏水，水中放置一个装有蔗糖溶液的漏斗，漏斗下端开口处封有一层半透膜.所以水会透过半透膜进入到蔗糖溶液中，漏斗液面就会升高.假设漏斗中液面可以达到的高度大于漏斗的长度，那么蔗糖溶液在达到原本能达到的高度之前，会先到达漏斗末端而溢出，因此笔者在漏斗的末端开口处无缝接上一段弯曲的塑料软管，把软管末端朝向竖直向下，处于烧杯液面的正上方.在塑料软管的末端封上一层半透膜.

那么蔗糖溶液在上升的过程中就会逐渐充满软管，在这之后，漏斗下端还会不断有水进入，水的挤压与蔗糖溶液所受的重力作用会使蔗糖溶液从漏斗末端的软管处下落流出.又因为漏斗末端的软管处有一层半透膜，就会导致蔗糖分子无法通过，只有水能不断透过半透膜落下，继续汇入烧杯中.那么整个装置的水的总量不变且不会进入烧杯而使烧杯中溶液浓度增加.

在整个过程中，水就相当于通过这个装置先进入漏斗，上升，重力势能增加.然后再通过漏斗末端出来回落入烧杯中，重力势能转化为动能.那么我们就可以利用水从漏斗出来之后下降过程中重力势能转化的这段动能来进行生产生活，可以说是“永动机”.

4.实验方法

(1)寻找半透膜或其代替品

半透膜是一种只给某种分子或离子扩散进出的薄膜，对不同粒子的通过具有选择性的薄膜，它只允许水分子透过，而不允许蔗糖等溶质通过.笔者起初寻找到鱼鳔与鸡蛋的卵壳膜作为代替品.但是又由于这两种材料的制备过程更为复杂，最后经辗转，又从网上买到了半透膜.

(2)蔗糖溶液的配置

由于绵白糖作为溶质，可用半透膜渗透几次之后渗透出的是糖水，所以笔者选择了使用冰糖来配置蔗糖溶液，并尽量将其配至高浓度.

(3)渗透

把半透膜用细线紧缚在漏斗上，把覆盖有半透膜的一段向下用胶头滴管从另一端注入蔗糖溶液，漏斗的玻璃管一段接上一小段橡胶软管，把半透膜用细线紧缚在T型管的右端，把其下端与橡胶软管相连，再将T型管顺时针旋转90度，使覆盖有半透膜的一段向下，为了减少等待水通过渗透作用上升的时间，漏斗内液面高于烧杯液面，低于漏斗管与T型管连接处.而漏斗内液面仍可通过上升或下降来向最大高度变化.将整个装置放在铁架台上，固定漏斗高度，出于器材限制，将一双筷子固定在铁架台上把它架在T型管与漏斗相连的那个分支上，固定T型管的角度，注意T型管覆盖有半透膜的一段的最下端一定要在液面上方，为其滴水方便还可T型管顺时针旋转一个小角度，整个装置就成为一个渗透系统.之后观察现象.

二、结果与讨论

1.半透膜的实验效果

从网上购买的半透膜形似塑料膜，干燥时质地较硬，不便于包裹漏斗；浸水后质地较软，便于包裹漏斗.但其包裹蔗糖溶液时透出的不只是水，还有一些甜味.其在包裹墨水、牛奶时也会部分通过溶质可见购买的半透膜并不能完全阻止溶质透过，只能减小透出液的浓度.

2.实验现象

除去实验装置过于简陋或有重大失误，在约5次正常的实验中，每一次实验从开始到结束，都能看到蔗糖溶液中的糖分在不断渗入烧杯的清水中，在半透膜下面呈现出近乎透明的烟的形状.尽管如此，5次实验中有4次T型管都能持续较长时间滴含糖分的水，回滴入烧杯中.随着时间推移，滴水的速率逐渐变慢.在整个有长时间间断的实验观察过程中，T型管始终未滴水，但在旋转T型管之前，漏斗中的液面短时间内未变化.

3.分析实验现象与反思

(1)实验现象分析

因为实验开始时T型管内部是干燥的，那么T型管能持续较长时间滴含糖分的水也从侧面证明了T型管的情况并不影响漏斗处的渗透作用，那里依然在发生渗透作用，水分子进入漏斗，液面想要上升.所以在较短时间内，漏斗内的蔗糖溶液浓度高于外界不断有糖融入的水的浓度，而且这个不合格的半透膜仍能发生渗透作用，只是随着时间推移，漏斗与烧杯中溶液的浓度会最终相等，那么渗透作用就不会再发生，T型管不会再滴水，漏斗与烧杯的液面会相平.所以实验未达成最初的目标，实验失败.

(2)实验带来的启示

通过这次实验，笔者从知识、实验技能、科学精神上都有了很大收获：

①通过多次失败，笔者认识到做实验前一定要做好充足的准备，做好周全的计划，预先分析可能出现的失误并避免它.收集实验器材时验通过多种途径寻找，充分比较好再动身，采取耗时最短且效果最好的方案.

②对渗透作用的原理有了更为深刻的理解，并在上网搜索资料的过程中学习了热力学第二定律、能量守恒定律、第一类与第四类永动机、半透膜、流体永动机的相关知识，发现我的想法其实就是流体永动机的原理，激发了自己学习更多知识的好奇心.

③这次实验探究，其过程可谓是回环曲折，但是真是通过不断的质疑，验证，否定再质疑的探究过程，是我真正体会到了过程的乐趣；也是我深深理解科学探究的真谛，克己、严谨，务实、求真的精神，也让我感受到在今后的学习道路上，再遇到类似的问题时提供了指引和参考.

仅靠这几次简陋的实验，笔者认为并不能得出流体永动机是否存在的结论.但T型管的滴水着实让我看到了流体永动机存在的希望，或许我们用真正的半透膜(完全不透蔗糖)去做实验，就能使水分子在分子运动中，透过渗透作用不断地上升再下落这样循环，让他把它的内能转化为重力势能与动能，在内能减少后吸收空气中的内能，再转化为机械能，就能真正制成流体永动机呢？或者说开发一种新的能源的利用：空气内能？