虹吸（Siphon或Syphon）是一種流體力學(xué)現(xiàn)象，描述了液體在兩個(gè)具有高度差的容器之間，通過(guò)充滿液體的倒U形管（虹吸管）自動(dòng)流動(dòng)的過(guò)程。虹吸管里灌滿液體，沒(méi)有氣。雖然兩邊的大氣壓相等，但是來(lái)水端的水位高，壓強(qiáng)大，推動(dòng)來(lái)水不斷流出出水口。在這個(gè)過(guò)程中，液體會(huì)自動(dòng)從較高的液面經(jīng)過(guò)高出液面的管段，流向較低的液面。這種現(xiàn)象使得液體可以在不借助泵的情況下進(jìn)行抽吸。虹吸所用的曲管叫做虹吸管。虹吸現(xiàn)象中，液體受到重力和液體張力的作用，產(chǎn)生的壓強(qiáng)差能使液體可以克服管道的頂部高度。虹吸管利用重力和液體張力運(yùn)行。在U形管內(nèi)灌滿液體，用手指按住管口，把它倒過(guò)來(lái)，并把一端放入液面較高的容器中，另一端放入液面較低的容器中，松開(kāi)手指就會(huì)看到液體從液面較高的容器通過(guò)管子流入液面較低的容器。
自然中的虹吸現(xiàn)象虹吸速度受伯努利方程的約束，速度由兩個(gè)容器的高度差決定，而管道頂部最大高度則受大氣壓強(qiáng)影響，通常約為10米。常見(jiàn)的有虹吸泉，是null巖石山區(qū)的地下管道系統(tǒng)形成了虹吸結(jié)構(gòu)，并和地面聯(lián)通而出現(xiàn)的。當(dāng)?shù)叵驴臻g中的水超過(guò)一定高度（虹吸彎的高度）時(shí)，泉盆一口氣排空。然后，它停止排水，直到地下空間中的水再次超過(guò)虹吸彎的高度。
歷史上，虹吸現(xiàn)象早在古埃及和古希臘時(shí)期就有應(yīng)用，并在中國(guó)古代也有諸多記載和應(yīng)用，如用于灌溉的‘渴烏’和利用虹吸原理設(shè)計(jì)的漏壺。至今，虹吸已經(jīng)應(yīng)用與實(shí)際工程中，生活中，醫(yī)療中等各方面。應(yīng)用虹吸原理的實(shí)際工程有：黃河下游虹吸管引黃灌溉、給水虹吸濾池、排水工程中的虹吸溢洪道等；生活應(yīng)用有公道杯、虹吸馬桶等；醫(yī)療應(yīng)用有洗胃管等。
定義
定義
虹吸現(xiàn)象是一種流體力學(xué)現(xiàn)象，描述的是在兩個(gè)具有高度差的液面之間，液體充滿一個(gè)倒U形管道（稱為虹吸管）后進(jìn)行自動(dòng)流動(dòng)的過(guò)程。
發(fā)生條件
利用虹吸原理必須滿足三個(gè)條件：1、管內(nèi)先裝滿液體；2、管的最高點(diǎn)距上容器的水面高度不得高于大氣壓支持的水柱高度；3、出水口比上容器的水面必須低。這樣使得出水口液片受到向下的壓強(qiáng)（大氣壓加水的壓強(qiáng)）大于向上的大氣壓，保證水的流出。
簡(jiǎn)史
埃及浮雕可以證明公元前1500年，埃及人就利用過(guò)虹吸管，用于取出儲(chǔ)存于大陶罐的液體。
公元前6世紀(jì)薩摩斯島（Samos）的畢達(dá)哥拉斯正義杯（Pythagorean cup）使用了虹吸原理。
在公元前387年，據(jù)說(shuō)柏拉圖利用虹吸現(xiàn)象液體的流動(dòng)帶動(dòng)氣體吹響警報(bào)，以制造鬧鐘來(lái)喚醒他的學(xué)生。
公元一世紀(jì)，亞歷山大的希羅（或赫倫）（Hero of Alexandria）建造了太陽(yáng)能虹吸管
宋代楊侃的《兩漢博聞》卷十中，已有利用虹吸引水的描述，見(jiàn)上圖。王徽的《諸器圖說(shuō)》內(nèi)有明確的利用虹吸原理引水的器械圖。
明代，人們對(duì)虹吸現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)已深入一步。徐光啟述及“過(guò)山龍”（即虹吸管）的引水條件是“必上水高于下水，則可為之，至平則止”，在流水中“必須上流高于下流”。
徐霞客在游歷雞足山時(shí)，曾推斷寺廟里噴泉的高度，稱“此必別有一水，其高與此并”。
方以智也認(rèn)為，過(guò)山龍“其來(lái)處何高，則所激之高可與之比。或故使之瀑下，就以筒承瀑，則水激而上。上既出，則流通而不止矣”。
原理分析
開(kāi)始流動(dòng)的原因（流體靜力學(xué)）
在虹吸管最高點(diǎn)取一豎直的液片（見(jiàn)上圖），這個(gè)液片在充滿液體的封住的虹吸管管口打開(kāi)瞬時(shí)，受到向右的壓強(qiáng)（表示重度，），受到向左的壓強(qiáng)，由于，所以，又因?yàn)橐浩瑑擅娴拿娣e相等，所以向右的壓力大于向左的壓力，所以液片將向右移動(dòng)。這就是液體開(kāi)始從液面高的容器流向液面低的容器的原因。
液體流動(dòng)狀況分析（流體動(dòng)力學(xué)）
加速流動(dòng)階段
設(shè)在流體內(nèi)取一流線，記順流線方向壓強(qiáng)為，逆流線方向壓強(qiáng)為，壓強(qiáng)差為。
如上圖，阻塞管口，管內(nèi)液體靜止。由平衡條件可知，各處壓強(qiáng)差，。點(diǎn)〈在容器的液面處）的壓強(qiáng)(為裝置外部氣壓，一般為大氣壓強(qiáng))。，點(diǎn)（在容器的液面處）的壓強(qiáng)。
開(kāi)啟B管口瞬間，突然改變，此時(shí)，，。而順流線方向壓強(qiáng)為未變，可求得此時(shí)、、處壓強(qiáng)差都為。
不計(jì)阻力，在作用下，液體順流線方向做加速流動(dòng)，液體一經(jīng)流動(dòng)，壓強(qiáng)發(fā)布隨流速發(fā)生變化，流速越大，壓強(qiáng)差越小，直至壓強(qiáng)差為零。這就是虹吸的加速流動(dòng)階段，此過(guò)程時(shí)間較短。
穩(wěn)定流動(dòng)階段（虹吸維持階段）
加速流動(dòng)階段后，虹吸管內(nèi)液流保持穩(wěn)定，虹吸管粗細(xì)均勻，則各處管內(nèi)流速相同，記為。由伯努利方程可知，理想液體的穩(wěn)定流動(dòng)中，存在，其中為據(jù)基準(zhǔn)水平面深度，以高度為基準(zhǔn)水平面，討論可得各處常量的表示如下：處：，處：，處：，若處液面面積與虹吸管截面面積比為，則，則處：，；b處于與液面高度齊平，不考慮阻力等理想情況下，b處可看做敞開(kāi)于大氣壓下，則，所以，得，若處液面面積遠(yuǎn)大于虹吸管截面面積，即，，所以。
虹吸管最大高度
虹吸模型存在兩種，一種認(rèn)為虹吸管通過(guò)重力和大氣壓力運(yùn)行，另一種則認(rèn)為虹吸管是通過(guò)重力和液體內(nèi)聚力運(yùn)行。大氣模型認(rèn)為虹吸管的最大高度大約等于環(huán)境氣壓支撐的液體柱的高度，即。已有實(shí)驗(yàn)提供了確鑿的證據(jù)，證明虹吸管通過(guò)重力和分子內(nèi)聚力運(yùn)作。以下為內(nèi)聚模型下虹吸管最大高度。
虹吸管頂部的壓力（見(jiàn)上左圖）低于液體的給定溫度下的蒸氣壓（溫度為液體沸點(diǎn)時(shí)的氣壓）時(shí)，液體將沸騰，使虹吸管內(nèi)液柱斷裂。斷裂后（見(jiàn)上右圖），兩側(cè)的液柱由環(huán)境氣壓和虹吸管頂端氣壓之間的壓差支撐。此時(shí)虹吸管最大高度，其中是環(huán)境大氣壓，是液體的蒸氣壓，是液體的平均速度。
產(chǎn)生內(nèi)聚力的原因是表面需要耗費(fèi)能量。對(duì)于水來(lái)說(shuō)，表面能通常被稱為表面張力。由于氣泡表面的能量，在水中產(chǎn)生氣泡需要耗費(fèi)能量。氣泡要保持穩(wěn)定，必須得到氣體內(nèi)部壓力或水中等效張力（負(fù)壓）的支持。完全脫氣的水的內(nèi)聚強(qiáng)度有可能支撐大于數(shù)百米（大氣壓可支撐的水柱高度約10米）的連續(xù)垂直柱。此時(shí)虹吸管最大高度，其中是液體的抗拉強(qiáng)度。
相關(guān)現(xiàn)象
自然中的虹吸現(xiàn)象
在碳酸根巖石山區(qū)，降雨、地面河湖水流滲入地下，沿巖石中破碎帶的裂縫隙溶解巖石，以溶液形式帶走可溶成分，如此長(zhǎng)期(按地質(zhì)年代計(jì))作用，巖石不斷溶蝕，縫不停地?cái)U(kuò)大，最終促成地下管道系統(tǒng)產(chǎn)生，水氣就能在三度空間的管網(wǎng)中流動(dòng)，管網(wǎng)的不同組合，有時(shí)會(huì)成為虹吸結(jié)構(gòu)，和地面聯(lián)通后出現(xiàn)虹吸泉和會(huì)呼吸的洞。
當(dāng)?shù)叵驴臻g中的水超過(guò)一定高度（虹吸彎的高度）時(shí)，泉盆一口氣排空。然后，它停止排水，直到地下空間中的水再次超過(guò)虹吸彎的高度，所以流是間歇性的。
特殊的虹吸現(xiàn)象——自發(fā)虹吸
某些液體，如聚乙烯水溶液，只要倒出一些液體來(lái)啟動(dòng)虹吸現(xiàn)象，它就能自發(fā)地出現(xiàn)虹吸現(xiàn)象而流出容器。
液氮-4超流會(huì)從無(wú)孔可鉆的玻璃或金屬容器中騰壁外逃，產(chǎn)生自發(fā)虹吸作用，自動(dòng)尋找最低停留位置。
應(yīng)用
實(shí)際工程
虹吸管引水、輸水已廣泛地用于實(shí)踐工程中，如黃河下游虹吸管引黃灌溉、給水虹吸濾池、排水工程中的虹吸溢洪道等。
生活應(yīng)用
公道杯：中國(guó)古代漢族飲酒用的瓷制品，杯中央立一老翁或龍頭。杯中央有一個(gè)空心瓷管，管上口相當(dāng)于老翁胸前的黑痣高度(或龍領(lǐng))，管下通杯底的小孔。向杯內(nèi)注水時(shí)，若水位低于瓷管上口，水不會(huì)漏出;當(dāng)水位超過(guò)瓷管上口，水即通過(guò)杯底的漏水孔漏光。
虹吸式馬桶：虹吸式馬桶的設(shè)計(jì)包括一個(gè)水封彎管，這個(gè)彎管的形狀和大小對(duì)于形成有效的虹吸作用至關(guān)重要。沖水時(shí)，這通常通過(guò)沖水閥實(shí)現(xiàn)，當(dāng)沖水閥打開(kāi)時(shí)，水箱中的水快速流入并迅速填滿馬桶盆，增加盆內(nèi)水面高度，當(dāng)水流速度達(dá)到一定程度時(shí)，水開(kāi)始沿著彎管向下流動(dòng)，同時(shí)產(chǎn)生負(fù)壓，這個(gè)負(fù)壓吸引馬桶盆內(nèi)的水和廢物一起被拉入下水道，直至所有水被抽走，虹吸作用自然終止。
醫(yī)療使用
洗胃管：胃管經(jīng)過(guò)食道進(jìn)入胃腔，將放低的漏斗充滿液體，慢慢上舉，液體進(jìn)入胃中，此時(shí)下降漏斗，液體沿方向流至漏斗。
類似現(xiàn)象
虹吸現(xiàn)象與毛細(xì)現(xiàn)象
毛細(xì)現(xiàn)象是指在附加壓力作用下，流體在毛細(xì)管內(nèi)發(fā)生宏觀流動(dòng)的現(xiàn)象。
如果液體能潤(rùn)濕毛細(xì)管管壁，表面管壁分子與液體分子之間的作用力大于液體分子本體的作用力，液體分子將沿管壁向上攀附從而形成一凹液面，并產(chǎn)生向上的附加壓力，導(dǎo)致毛細(xì)上升。
如果液體不能潤(rùn)濕毛細(xì)管管壁，表面管壁分子與液體分子之間的作用力小于液體分子本體的作用力，液體分子將被管壁排斥從而形成一凸液面，并產(chǎn)生向下的附加壓力，導(dǎo)致毛細(xì)下降。
差異點(diǎn)：形成原因不同，毛細(xì)現(xiàn)象中液面上升或下降與表面張力有關(guān)。而虹吸現(xiàn)象液體先向上流動(dòng)再向下流動(dòng)是利用了重力和液體內(nèi)聚力。
虹吸管與倒虹吸管
倒虹吸管(又稱反虹管、地龍或地涵）是渠道穿越山谷、河流、洼地，通過(guò)道路或其它渠道的壓力輸水管道，是一種渠道交叉建筑物，是灌區(qū)配套工程中的重要建筑物之一。
倒虹吸管形狀似倒置的虹吸管，所以被稱作“倒虹吸管”。
異同：倒虹吸管管道一般低于上下游水面，依靠上下游水位差的作用進(jìn)行輸水，而虹吸管管道最高點(diǎn)高于液面，液體流動(dòng)依靠了重力和液體內(nèi)聚力，液體也由高液面流向低液面。
參考資料 >
術(shù)語(yǔ)在線—權(quán)威的術(shù)語(yǔ)知識(shí)服務(wù)平臺(tái).術(shù)語(yǔ)在線.2023-08-11
The Amazing Self-Emptying Cup (Pythagoras' Cup).Davidson Institude.2023-09-03
The Bowl Siphon.howstuffworks.2023-09-04