Nguyên Lý Hoạt Động của Siphon và Ứng Dụng Trong Thực Tế
Trong bài viết này, hãy tìm hiểu thêm về siphon là gì và cách thức hoạt động của nó trong thực tế.
I. Giới thiệu
Ví dụ: nếu bạn muốn xả nước một bể bơi bằng ống tưới vườn, bạn chỉ cần đặt một đầu ống vào bể và đầu còn lại ra ngoài. Đầu ống bên ngoài chỉ cần nằm thấp hơn mực nước. Khi nước đã được hút vào, nó sẽ chảy ra khỏi ống một cách liên tục. Miễn là đầu ống dưới luôn được giữ thấp hơn mực nước, nước sẽ tiếp tục chảy qua độ cao lớn hơn, chẳng hạn như qua mép bể (để đạt được chiều cao tối đa cần vượt qua sau này). Cách sắp xếp như vậy còn được gọi là siphon hoặc ống tràn siphon.
Hình: Xả nước bể bơi bằng ống tưới vườn
II. Giải thích
Hành vi này mang tính nghịch lý là do áp suất thủy tĩnh (hydrostatic pressure). Để hiểu rõ hơn, hãy xem xét một chai nhựa chứa đầy nước. Một ống mềm được gắn vào nắp chai. Nếu chai được lật ngược, nước sẽ bắt đầu chảy ra qua ống. Dòng chảy của nước dẫn đến sự tăng thể tích không khí bên trong chai. Vì không có không khí có thể chảy vào qua ống tương đối nhỏ, áp suất âm (negative pressure) được tạo ra bên trong chai.
Áp suất âm trong chai này có thể được sử dụng để hút nước từ một bình chứa khác. Chỉ cần gắn thêm một ống mềm thứ hai vào chai từ phía trên. Ống này được đặt vào bình chứa mà từ đó nước sẽ bị hút đi. Nước được hút vào nhờ áp suất âm trong chai, được tạo ra bởi dòng chảy của nước ra ngoài.
Hoạt ảnh: Nguyên lý siphon Nguyên tắc cơ bản, thể tích không khí trong chai lúc ban đầu có thể được chọn nhỏ tùy ý. Và cuối cùng, ngay cả thể tích không khí ban đầu cũng có thể bị loại bỏ hoàn toàn. Khi đó, gradient áp suất cần thiết để bơm nước sẽ hình thành trực tiếp trong nước. Bước cuối cùng là sử dụng một ống mềm khác thay vì chai. Cuối cùng, theo cách này, ta có được một ống duy nhất, hút nước từ mức cao hơn qua đỉnh và sau đó thoát xuống mức thấp hơn.
Ví dụ minh họa với chai cũng cho thấy rõ rằng chiều cao tối đa cần vượt qua giữa mực nước cao hơn và đỉnh của ống bị giới hạn bởi lực hút tối đa (maximum suction lift) khoảng 10 mét. Cuối cùng, áp suất âm tối đa có thể được tạo ra là chân không. Với áp suất không khí của khí quyển là 1 bar, áp suất xung quanh này có thể đẩy cột nước cao nhất 10 mét lên trên. Áp suất môi trường do đó không đủ cho những độ cao lớn hơn.
III. Phép tính toán học
Nếu một ống mềm được sử dụng để bơm nước từ một hồ chứa cao hơn đến một hồ chứa thấp hơn, thì chỉ có sự chênh lệch chiều cao h giữa các mực nước là quan trọng đối với việc dẫn nước chảy. Để minh họa điều này, một van khóa được lắp đặt tại điểm cao nhất của ống chứa đầy nước. Van khóa ban đầu được đóng lại. Bên trái và bên phải của van, các áp suất khác nhau p1 và p2 sẽ được hình thành. Áp suất âm tại các điểm này khiến áp suất môi trường lớn hơn p0, tác động lên bề mặt nước, đẩy nước lên trên trong các đoạn ống tương ứng theo nguyên lý ống hút (drinking straw principle). Trong trạng thái này, các cột nước tương ứng vẫn ở vị trí trong các đoạn ống.
Độ sâu nhúng của đầu ống vào các hồ chứa tương ứng không đóng vai trò gì đối với cân bằng, vì áp suất thủy tĩnh của nước xung quanh sẽ đẩy nước trong ống lên cùng mức (nguyên tắc bình thông nhau (communicating vessels)). Cùng áp suất môi trường p0 không chỉ tác động bên ngoài mà còn bên trong ống tại mực nước. Áp suất tác động lên trên này rõ ràng cân bằng với áp suất thủy tĩnh của cột nước trong ống (ρ⋅g⋅h) và áp suất tác động xuống p1 hoặc p2 trên cột nước:
Đối với áp suất ở bên trái và phải của van khóa áp dụng:
Vì chiều cao h2 rõ ràng lớn hơn chiều cao h1, áp suất bên phải van nhỏ hơn áp suất bên trái. Nếu van khóa được mở ra, nước sẽ chảy từ áp suất cao hơn về phía áp suất thấp hơn. Sự chênh lệch áp suất Δp do đó là thước đo lực đẩy dòng nước. Lực đẩy này chỉ phụ thuộc vào sự chênh lệch chiều cao h giữa hai mực nước:
Như phương trình (8) cho thấy, dòng chảy của nước được thúc đẩy bởi sự chênh lệch giữa các áp suất thủy tĩnh trong các đoạn ống bên trái và phải của đỉnh. Điều này chỉ phụ thuộc vào sự chênh lệch chiều cao h giữa các mực nước. Vì vậy, miễn là có sự chênh lệch chiều cao giữa mực nước trên và mực nước dưới, nước có thể được bơm từ hồ chứa trên xuống hồ chứa dưới (miễn là đỉnh của ống không cao hơn lực hút địa hình tối đa (maximum geodetic suction lift)). Nếu nước không được xả vào một hồ chứa mà xả qua đầu ống trực tiếp ra ngoài, thì sự chênh lệch chiều cao h sẽ được tính đến đầu ống.
IV. Định luật bảo toàn năng lượng
Nguyên lý siphon không mâu thuẫn với định luật bảo toàn năng lượng (the law of energy conservation), vì nước được vận chuyển từ điểm có thế năng cao hơn đến điểm có thế năng thấp hơn, ngay cả khi nước chảy ngược chiều trọng lực trong đoạn ống hút.
Ta có thể minh họa tình huống này bằng một chuỗi dây xích đặt qua một ròng rọc. Nếu đoạn xích bên phải của ròng rọc dài hơn và nặng hơn, trọng lượng lớn hơn sẽ khiến xích bị tháo ra. Chỉ vì các mắt xích được di chuyển lên trên ở phía bên trái không có nghĩa là mâu thuẫn với định luật bảo toàn năng lượng, vì trọng tâm của chuỗi dây xích di chuyển xuống dưới tổng thể.
Nguồn: https://www.tec-science.com/mechanics/gases-and-liquids/siphon-spillway/
