B区底部因为压强比A区底部大,又因为半透膜只允许水分子通过,所以B区底部水分子流向A区,同时因为渗透压的原因A区上面的水分子流向B区。能否永恒流动下去?

(之前有人提过这个问题,但是因为描述不明被折叠了,我重新提一下。侵删)


这其实是一个很好的问题。这个永动机破解的关键在于,当你考虑足够大的压力差使得上下两个半透膜压力平衡有所改变时,你必须同时考虑这个压力差对浓度分布的影响。

从化学势平衡看,当压力差不可忽视时,浓度差必然也不可忽视:

[公式]

比如说,海水中,海底的盐分浓度要高于海面。我们可以从简单一点的角度来看这个问题:系统在平衡态是,总是趋向于使自己的势能尽量降低。因此,当底部浓度升高的时候,中心下移,势能降低。而这部分降低的势能恰恰补充了浓度不平衡所需的额外内能。

所以说,B区底部压力较大,这是没错的,但是同时,B区底部盐的浓度也较高,因而所需的渗透压也相应更大。这就抵消掉了其压力的增高。

这个可以用热力学原理经过简单推导就计算出来。


谢邀。

这个问题确实已经有人问过了,但是我必须指出,最高赞的那个回答在解释渗透压时有疏漏!

我后来也写过回答来纠正,但是因为占坑晚、篇幅太长、可读性较差等问题,没多少人看见,这里再澄清一下这个问题。

  • 为方便大家快速得到解答,我们先来看看简略版回答:
  1. 渗透压指的是阻碍水从低浓度流向高浓度所需的在高浓度溶液上附加的最小压强,而非迫使水从低浓度流到高浓度的一种压强。
  2. 渗透压不是真正的压强,而是阻止渗透需要的最小压强,即系统达到平衡所需要的最小压强差。
  3. 在考虑渗透时,我们比较的是溶剂的压强,而非溶液压强。
  4. 将溶质分子看成气体模型,进行分析,得出结论:在忽略溶质分子的密度随高度分布时,这个永动机根本无法动起来!
  5. 考虑溶质分子的密度随高度分布,经过分析,这个永动机势必会达到平衡态。

事实上,这个问题的分析需要进行大量理论分析,三言两语讲不清楚,要是只想看个大概,记住以下三点就够了:点赞、收藏、转发!

然后……说不定你的朋友圈里有大佬既能看懂还能像霍金那样用深入浅出的语言给你讲懂……

至于那些想要仔细研究这个问题,还不担心自己发量的童鞋,别怪我没提醒你,你即将面对的是一篇5000字长文以及npy投来的异样的目光……


正片,不是,正文开始。

一、 压力

多数人都觉得压力就是一个宏观物体与另一个宏观物体接触时因相互挤压而产生的力,但事实上,这不是压力唯一的产生方式

压力同样可以由分子的碰撞产生(或许你能回想起高中物理课本上一个人撑著把伞在大雨中「吃橘」的表情),理解这一点对下文的阅读或许会有帮助。

雨水由于碰撞而对伞产生压力

二、渗透压

  1. 概念
  • 百度百科给出的定义为:对于两侧水溶液浓度不同的半透膜,为了阻止水从低浓度一侧渗透到高浓度一侧而在高浓度一侧施加的最小额外压强称为渗透压。
  • 维基百科给出的定义为:当渗透持续进行至两液面高度不再变动时,此时两液柱之压强差称为渗透压。

也就是说,渗透压指的是阻碍水从低浓度流向高浓度所需的在高浓度溶液上附加的最小压强,而非迫使水从低浓度流向高浓度的压强。

屏幕前的你

可能你会觉得两者并无太大差别,实则不然。

后者容易让人误以为渗透压是一种因为溶质粒子碰撞而产生的溶液本身具有的对容器的压强。

当然是会有这样一个压强,但如果这样理解渗透压会使得人们混淆方向性。

下面简单说下为什么会需要这样一个附加压强。

2.来源

这一部分是重中之重,我将在接下来的几百字中具体分析为什么清水会流向盐水而导致盐水升高。

由于盐水的溶质NaCl是电解质,除了粒子之间的碰撞外还有不容忽视的离子键,这使得接下来的近似遇到困难,于是我们把盐水改为糖水。

对于稀溶液,由于分子间作用力微乎其微,我们可以将糖分子近似看做是气体分子。

这个近似在《定性与半定量物理学》中出现过,相关的范特霍夫关系:π=cRT也是根据平衡渗透压遵循理想气体定律而得出的。

值得一提的是,它仅对难挥发非电解质稀溶液成立,这也是为何我把盐水改成了糖水。

在重力对溶剂密度分布影响可忽略的前提下,设糖分子的分子数密度为n,则根据我们在小学二年级就学过的理想气体状态方程,有:PV=vRT

小学二年级没好好听课的你

其中v=nV/NA,R=kNA

故P=nkT

现在假设糖水水面与清水水面等高,对糖水与空气的接触面,气体分子因碰撞产生了P0的压力,糖分子因碰撞产生了 [公式] P的压力,则为使得体系平衡,糖水中接近水面的位置处,压强应为P0- [公式] P。

对半透膜,糖水一侧有:水产生的P0- [公式] P+ [公式] gh的压力,糖分子碰撞产生的[公式] P的压力。

清水一侧有:水产生的P0+ [公式] gh的压力。

如图,水将往何处流动取决于虚线面上的压力比较。

由于糖分子无法穿过半透膜,故其产生的压力对虚线面上的压力无贡献。

也就是说,虚线面上的压力比较,就是溶剂的压力比较,而非溶液压力的比较

于是我们发现,略去水与半透膜之间因为发生浸润而产生的表面张力的等效压强(毛细现象的成因),清水处的溶剂压强比糖水处的溶剂压强要大 [公式] P,水会从清水处流向糖水处。

为使讨论方便,忽略糖水的稀释,则为阻碍水的渗透而需要在糖水处附加的压强为[公式] P,这个所需附加的压强便被称为渗透压。

从这里我们可以看出:渗透压不是真正的压强,而是阻止渗透需要的最小压强,即系统达到平衡所需要的最小压强差。

在这个例子中,渗透压由糖水水平面高出清水水平面h』而产生的[公式] gh』提供。

所以,逻辑上来讲,不是因为清水流向糖水而导致糖水升高,而是因为糖水不得不升高以使得清水不再流向糖水。

清水糖水傻傻分不清的你

这样,我们对渗透压的理解可能会更清晰一些。

三、一个模型

题主的问题和我高中学习物理竞赛时遇到的一个问题有相似之处,本著由易入难的原则,不妨将其分析一下。

其他条件与「渗透压来源」中相同,唯独是把原本既不透水也不透糖的,不妨说,玻璃管换成了透水不透糖的半透膜。

这样,由于半透膜透水不透糖,水就会漏出来,而糖不会。

然后,根据我们之前的分析,糖水始终要比清水高h』,于是乎,水便会漏出来又上去,上去了又漏出来,这样一个简单的装置摇身一变,成了大家伙津津乐道的永动机。

这个问题如果你按照「迫使水从低浓度流到高浓度的一种压力」来理解渗透压,那么你在分析这个问题时想必会走不少弯路。

但是实际上,水根本漏不出来。

我们来考察一下悬空水柱在半透膜上的某点。

半透膜外有:大气压 P0

半透膜内有:水的压强 P0-[公式] P+ [公式] gh 糖分子压强 [公式] P

虽然水的压强加上糖分子压强所产生的合压强为P0+ [公式] gh,大于大气压P0,水应该流出,但是我们说过,在考虑渗透时,我们比较的是溶剂的压力,而非溶液压力

同理,在判断水是否会漏出时,我们应该直接比较大气压和水的压强。这样我们就会发现,由于前者更大,所以水不会漏出。

那么问题又来了,既然大气压大于水的压强,那么请问,平衡态是什么

这个问题我也只能讲讲我的看法,正确性不敢保证,欢迎大家在评论区探讨这个问题。

我的看法是,它最终会达到这样一种平衡:

在接近毛细管口的位置,糖分子的碰撞应该并非全被半透膜「吸收」,而是对毛细管内水的压强有一定贡献,这样的贡献必然是离管口越近,贡献越大。于是我们便能在接近毛细管口的位置找到一个达到平衡时的界面。

四、题主模型

你可算是讲到了

题主永动机模型的错误之处,或者说该永动机模型的最后防线在于,糖水即使是考虑了它的密度随高度有一个分布,它也是无法长时间永动的。

由于大众的物理水平参差不齐,一上来就攻克此模型的最后防线,可能会让许多人一头雾水,所以接下来我们分层次一一攻克对此「永动机」的「辩护」。

辩护方案一:

单看题主的问题描述,他似乎是这么认为的:在高处,水由于渗透压的影响而流向糖水;在低处,由于糖水密度大于清水密度,所以当高度足够大时, [公式] gh的差异会大于渗透压,从而使得糖水中的水流向清水,进而造成永动。

blingbling的你

这个辩护方案的漏洞在于:

1. 没有理解渗透压的概念。

2. 在考虑渗透时,比较的是溶液的压力,而非溶剂压力。

辩护方案二:

先来看看不考虑重力影响时的情况:首先,由于液体是充满容器的,所以不会莫名其妙跑出来一个大气压;其次,液体是可以与容器上表面发生相互作用的,设原图中左边容器对糖水的压强为P1,右边为P2,这部分压强首先要被溶质粒子碰撞产生的等效压强抵消掉一部分以后再作用在溶剂上。如图:

可以发现,无论是上半透膜还是下半透膜,其左右两边之差都是P1-Δp-P2。所以无论P1-Δp-P2大于0还是小于0,水的流动方向(如果会流动的话)将会一致,这说明

在忽略糖分子的密度随高度分布时,这个永动机根本无法动起来!

路人甲:哎你等等,你这说的只是忽略糖分子密度不均时的情况,要是考虑了这一点,情况不就大不相同了吗?

小学二年级好好听过课的路人甲

别急,接下来我们就分析一波在考虑糖分子的密度随高度分布后,这个永动机所面临的窘境,一起摧毁它的最后防线!

附赠一张桌面壁纸 : D

首先我们得明白一点,既然你说糖分子分布不均,那它分布到底是怎么样的呢?

这个问题对学过物理竞赛的学生其实不算复杂,随便一本热学教材里都会有类似的习题。

这里我当然能给大家算出它的数学分布函数,但会涉及到大量公式计算,且算出这个结果意义不大,还会让大部分人在看到这些公式时调头就走,于是这篇回答又会像下面这个回答一样,石沉大海了。

人一辈子可以从地球走到月球吗??

www.zhihu.com图标

(顺便打个广告,嘿嘿嘿)

因插入硬广而被社会毒打的答主

咳咳,言归正传,我们只要知道的是,糖分子的分布是高处少,低处多,且呈e指函数分布。

这样我们就得到下图:

我们发现,即使我们考虑了糖分子的密度随高度不均匀分布,它也与原本不考虑这一点时的图相差无几,无非是Δp变成了Δp-。那么这个Δp-又是什么意思呢?

它的意思是,由于糖分子在高处分布少,所以由它产生的压强(Δp-)小于Δp。同理,糖分子在低处分布多,所以由它产生的压强(记为ΔP+)大于Δp。但由于我们之前已经说过,

在考虑渗透时,我们比较的是溶剂的压力,而非溶液压力,所以底部没有列出ΔP+。

写到这里有的知友可能会说了,那糖的分布不均导致的水的分布不均带来的影响嘞?

小学二年级优等生

我们发现这个影响也是不存在的,因为对上方而言,由于它水深为0,故ρgh为0;对下方而言,由于它处于底部,根据P=F/s,F,s不变,P自然不变,仍为ρgh。

这样,我们便得到了与忽略糖分子不均匀分布时一样的结论,那就是这个永动机根本无法动起来!

当然,这道最后防线的守护者也许会狡辩到,那我把半透膜调整一下位置不就好咯?

的确,这样做确实能够使得上下两个半透膜各自左右两侧压强差不相等(只要使得两半透膜高度之间的糖水中的水和清水质量不等即可),但是这也不一定能让这个装置动起来,因为如果都是左边大或右边大的话,上下两个半透膜中水的流动方向便是相同的,而液体不可压缩,是故一定不会出现水的流动。

即使控制得好,使得两个高度处的压强一个是左边大,另一个是右边大,能做到的也仅仅是让这个永动机动起来,之后必然会达到一个平衡态使得它停止运动。

之所以会有这样一个平衡态出现不是因为水的流动,而是因为压强的作用。这句话怎么理解呢?

举个例子,下雨天的时候,虽然雨在不停的下著,对单个的雨滴,确实它的位置发生了变化,但对这场雨来说,如果没有上升气流,空间中某个位置雨滴的多少是不变的。而一旦有了上升气流,这场雨在不同时间的同一个位置的雨滴数量将会不同。

这里的压强的作用与上升气流类似,就是改变糖分子密度分布用的。至于为什么它能让糖分子的分布达到一个平衡态,原因是这样的:

假如未达到平衡态,那么必然有个地方受力不平衡,糖分子沿著该处合力方向运动的趋势将会增强以使得它最后趋向于平衡态。

综上,我们可以说,这个永动机又是一个倒在热力学定律脚下的炮灰!


你还在为无法为科学做贡献而苦恼吗?没关系,点赞收藏转发这篇回答,让更多人看到,即是你对科学的贡献!


额,不懂材料科学,非专业人员,我看还有几个人没看懂题主意思,我就先简单解释下题主逻辑吧。

A区底部和B区底部同底,A、B上液面同高,溶液溶质均匀分布。

压强公式P=ρgh,因为B区盐水密度大→所以B区液底物理压强更大。

即单纯利用盐水密度更大、产生更大压强使得水分子在底通道从B进入A。

这个压强差只取决于密度差,设盐水密度为 [公式] ,清水为 [公式]底部液体物理压强差即P1= [公式] ,设渗透压为P3,只要P1&>P3就能让水分子在底通道从B进入A。

那上液面同理,但是高度不同所以上液面物理压强差P2= [公式]需要特别注意的是P2显然小于P1,因为上液面深度小, [公式] 是大于 [公式] 的,所以P1&>P2。我们同时需要令渗透压P3&>P2,使得水分子可以通过顶通道从A流回B。

题主假设溶液均匀,所以P3恒等。综上P3需要和P1、P2满足下列不等关系:P1&>P3&>P2,因为只要液体足够深,增加h1、h2之差即增加P1、P2之差,我们不难找到满足这样一个区间,并且找到一个压强差满足A区水流入量和水流出量速率相等,水就可以在里面「转起来」了。

非专业人员表示,简单一分析似乎挺有道理,但是,你通过增加密度差的方法来增加两边的压强差,同时也增加了浓度差使得P3更大,因此我一开始认为应该不存在这种条件使得物理压强差大于渗透压,强行让水分子从B流入A,因为渗透压的本质是尽可能的维持两侧浓度相同。看了其他高赞回答,P3显然在上液面和液底是不同的,溶液底部浓度会更高、密度会更大,密度差距会导致上下液面的 [公式] 也不一样,盐水的上液面可能几乎就是清水使得P2和上液面P3几乎为0,而底部液体局部浓度差过大也会使得P3增加甚至大于P1。满足这么一个模型的前提是溶质均匀分布,但在重力条件下这是不可能的,无重力条件下连压强都不存在。因此必然需要额外做功使得溶质均匀分布。

最后,最重要的是关于渗透压的概念,我也弄混淆了,我们想当然的认为物理压强和渗透压是一回事,我们想当然的假设了题目中的液体流动,忽略了溶质压强。还挺有意思的,感谢其他大佬。


太长不看版:无论什么深度下,B 都会和 A 一样从左往右渗透水。所以这设计从一开始就是有问题的。


这么简单的模型没必要搞一堆大学的概念来解释,也没必要考虑浓差来破解这个 「永动」。

首先,初中就学过液体压强公式:

左侧某一深度 h 下,压强为 p? = ρ?gh

右侧同一深度 h 下,压强为 p? = (ρ? + Δρ)gh。这个式子可以拆开理解,第一项 ρ?gh 是水带来的压强,第二项 Δρgh 就是额外加入的盐带来的压强。这个概念很像气体分压,可以把总压拆成每个组分各自的贡献。

由此可以看出,水自身的分压 ρ?gh 是仅和深度有关的,和加多少溶质没关系。(注:理想溶液近似下)


再看渗透的实质:渗透是双向的过程,两侧速率有差异,而非只有朝一侧的运动。就像可逆反应的正逆反应同时进行,但总反应有一个朝向。

水分子迁移的速率和水的分压正相关,因为分压决定水分子碰撞半透膜的速率。盐的分压对水的扩散没有贡献,因为盐的分压只增大了盐的粒子碰撞半透膜的速率(而且透不过去),和水分子无关。所以无论什么深度下,两侧水压都增加了 ρ?gh ,相互抵消后等同于水面上的渗透过程。


B区底部因为压强比A区底部大,又因为半透膜只允许水分子通过,所以B区底部水分子流向A区(为什么底部的渗透压被你忽略了?)

事实上,很快就会出现渗透压等于重力压强的平衡。


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