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Oct 28, 2023

사이펀의 높이 제한

Scientific Reports 5권, 기사 번호: 16790(2015) 이 기사 인용 78k 액세스 19 인용 96 Altmetric Metrics 세부 정보 이 기사에 대한 정오표는 2017년 5월 2일에 출판되었습니다.

Scientific Reports 5권, 기사 번호: 16790(2015) 이 기사 인용

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이 기사에 대한 정오표는 5월 2일에 게시되었습니다.

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사이펀의 최대 높이는 일반적으로 기압에 따라 달라지는 것으로 추정됩니다(해수면에서 약 10m). 이 한계는 상부 저수지 수위 위 사이펀의 압력이 주변 압력보다 낮고 사이펀 높이가 10m에 가까워지면 사이펀 꼭대기의 압력이 물의 증기압보다 낮아져 물이 끓어오르기 때문에 발생합니다. 칼럼. 파손된 후 양쪽 기둥은 사이펀 상단의 저압 영역과 대기 사이의 차압에 의해 지지됩니다. 여기서 우리는 10m보다 훨씬 높은 15m 높이의 해수면에서 작동하는 사이펀의 실험을 보고합니다. 물을 사전에 탈기하여 캐비테이션을 방지했습니다. 이 실험은 사이펀이 중력과 분자 응집을 통해 작동한다는 결정적인 증거를 제공합니다.

사이펀은 고대부터 사용되어 왔지만, 그 작동 방식에 대해서는 논란이 있어왔다1,2,3,4,5,6. 두 가지 경쟁 모델이 제시되었는데, 하나는 사이펀이 중력과 대기압을 통해 작동하는 것으로 간주되는 모델이고 다른 하나는 중력과 액체 응집력이 적용되는 모델입니다. 대기 모델에 대한 주요 증거는 사이펀의 최대 높이가 주변 기압에 의해 지지될 수 있는 액체 기둥의 높이와 대략 동일하다는 것입니다. 이 모델에서 사이펀은 두 개의 연속된 기압계로 간주됩니다. 대기 모델을 뒷받침하는 또 다른 증거는 사이펀 흐름이 튜브 내부의 기포와 함께 발생할 수 있어 물 분자 사이에 물리적 연결이 없다는 사실입니다. 중력 응집력 모델을 뒷받침하는 증거는 사이펀이 진공 조건에서 작동하는 것으로 나타났으며 모델은 사이펀이 기압 한계에 가깝게 작동할 때 기묘한 폭포와 같은 특징을 설명할 수 있다는 것입니다10.

대기 및 응집력 사이펀 모델 모두 사이펀의 최대 높이가 주변 기압에 따라 달라짐을 예측합니다. 대기 모델의 경우 물 기둥을 함께 유지하려면 대기압이 필요합니다. 응집력 모델에서 한계는 주어진 온도에서 사이펀 상단의 압력이 물의 증기압보다 낮아져 캐비테이션이 발생하는 것으로 설명됩니다. 즉, 물이 끓기 시작하여 기둥이 파손됩니다.

그러나 응집력 모델은 캐비테이션을 방지할 수 있으면 기압 높이 제한이 깨질 수 있다고 예측합니다. 응집력의 이유는 표면이 에너지를 소비하고 물/공기 표면도 다르지 않기 때문입니다. 물의 경우 표면에너지를 표면장력이라고 합니다. 물/공기 경계면의 표면 에너지는 0.072 J/m2입니다. 물 속에서 거품을 만드는 데는 거품 표면의 에너지 때문에 에너지가 든다. 기포가 안정되려면 기체의 내부 압력이나 물의 등가 장력(부압)에 의해 지지되어야 합니다. 기포 내의 기체에 대한 압력(P)은 (1)에 의해 주어진다. 이 방정식11은 이상 기체에 대해서는 정확하지만 실제 기체에 대해서는 근사치입니다.

여기서 γ는 표면 에너지(J/m2 또는 N/m)이고 r(m)은 기포 반경입니다. 좋은 벤치마크 압력은 = 1.013 × 105 Pa(N/m2)인 대기압입니다. 1기압의 내부 압력(또는 물 속의 등가 장력)은 반경 r인 기포를 지지할 수 있습니다.

즉, 반경 1.42μm(직경 2.8μm)의 기포에 의해 1기압의 내부 압력이 생성된다. 마찬가지로 직경 2.8μm의 빈 기포에 대해 한 대기의 지지력과 동일한 장력이 발생합니다. 기포가 작을수록 물 장력이 커지고 기포가 크면 물 장력이 낮아집니다. 2.8nm 직경의 기포는 1000기압(100MPa)에 해당하는 물 장력을 견딜 수 있습니다.