把手机横过来看,3D 演示更清楚
热学 · 物态变化 · 热机

饮水鸟为什么会一直“喝水”

它不插电、没有电池,却能一下一下低头喝水。动力来自水的蒸发,而让它动起来的关键,是玻璃泡里乙醚的蒸发与液化。

先说结论:水在毛毡上蒸发,让头部变凉;头里的乙醚蒸气遇冷液化,头部压强变小。身体还是室温,乙醚不断蒸发,压强保持较大。下面压强大、上面压强小,液体就被推进头部,鸟变得“头重脚轻”,向前倒下喝水。倒下后上下连通、压强相等,液体流回去,鸟又站起来。驱动这一切的能量来自屋里的空气,往下看能量账本。

0静止:上下温度相同、压强相等,鸟不动
毛毡是干的:没有水蒸发 → 头部不降温 → 上下压强相等 → 鸟不会动
拖动旋转 · 滚轮缩放 · 点 ①②③ 打开放大镜

因果链

前一环发生了,后一环才会亮起来
水蒸发,吸热–
→
头部降温–
→
乙醚蒸气液化–
→
头部压强变小–
→
出现压强差–
→
液柱上升–
→
倒下喝水–

能量此刻:– 整体能量账本

放大镜

点模型上的 ① ② ③ 或上面的按钮,可以放大看分子:水怎么蒸发吸热,乙醚怎么在冷壁上液化,身体里的乙醚怎么补充蒸气。

最近 40 秒的变化

头部身体倒下喝水

先看上图:蘸水后,头部温度那条线先往下走。再看下图:头部压强紧跟着往下走,身体压强一直是平的。两条线之间的阴影就是压强差。鸟倒下时,上下连通,两条线会短暂合在一起。

核心概念

乙醚的蒸发和液化

泡里只有乙醚,没有空气,所以泡内压强完全由乙醚蒸气决定。

蒸发 · 吸热液面上的“快”分子飞出去,变成蒸气。身体里的乙醚一直这样补充蒸气,压强保持不变。
液化 · 放热蒸气分子撞到冷的内壁被粘住,凝成液滴。头部变冷时,粘住的比飞走的多,压强下降。

压强只看温度:温度越高,饱和蒸气压越大

34.6 °C乙醚的沸点,室温下极易蒸发
≈ 2.2 kPa / °C温度每降 1 °C,蒸气压约降 2.2 kPa
≈ 30 cm2.2 kPa 能把乙醚压高约 30 cm,头部冷 1–2 °C 就够
展开:蒸发、液化和动态平衡的文字说明

蒸发液体 → 气体汽化的一种

微观上
液面上能量较大的分子挣脱周围分子的吸引,飞出去成为蒸气分子。
能量
吸热。跑掉的是“快”分子,剩下的平均能量变低,所以蒸发会致冷。
快慢
温度越高、液面越大、表面空气流动越快,蒸发越快。
在鸟里
① 身体里的液态乙醚在室温下不断蒸发,维持较高压强;② 头部毛毡上的水蒸发,给头部降温。

液化气体 → 液体凝结

微观上
蒸气分子撞到液面或冷的器壁,被吸引住,重新变回液体。
能量
放热。放出的热被冷的头部(最终被毛毡上蒸发的水)带走。
方法
降低温度,或者压缩体积(增大压强),都能让气体液化。
在鸟里
头部变冷后,头部的乙醚蒸气在内壁凝成小液滴,蒸气变少,头部压强下降。

为什么压强只看温度:在密闭的泡里,分子不断从液面飞出(蒸发),也不断有蒸气分子撞回液面被抓住(液化)。蒸气分子越多,撞回去的就越多,最后两者一样快,达到动态平衡。这时蒸气的压强叫饱和蒸气压。温度越高,飞出去的分子越多,平衡时蒸气越密,压强越大。所以:多出来的蒸气会液化掉,少了的会蒸发补上,压强总是回到这个温度对应的值。打开上方的放大镜 ② 和 ③,就能看到这两件事。

把因果串起来

一次点头,9 个关键时刻

点任意一步,上方演示台会停在那一刻,镜头自动推过去。

能量从哪里来

它不是永动机,能量来自屋里的空气

它一直从屋里的空气吸热,一小部分变成点头的机械能,最后又全部回到空气:Q入 = Q出 + W。

起因头部的水蒸发吸热

造出“冷的一头”。毛毡干了,鸟就停。

能量来源外界空气的内能

乙醚蒸气做功少掉的内能,由空气传进来的热补上。

能量流程图

热量(热传递) 乙醚蒸气带着的热 水蒸气带走的热 机械能(做功)
↺ 回到的和出发的是同一个房间里的空气 热传递Q入≈0.75 J 蒸气把热带到头部 液化放热 → 传给毛毡的水 Q出≈0.75 J 蒸气做功 W≈0.002 J 倒下 摩擦 热回到空气 外界空气内能 · 能量来源 身体:乙醚蒸发吸热,变成蒸气的内能 头部:乙醚液化放热,头部压强降低 ① 起点:毛毡的水蒸发吸热,头部变冷 屋里的空气热又回来了 液体的重力势能液柱被推高 鸟的动能倒下、摆动 摩擦生热变回内能

展开:文字版能量路径、能量账本和每一步的能量变化

能量走过的路(文字版,从起点开始)

  1. 起点:头部毛毡上的水蒸发水吸收头部的热量变成水蒸气,头部变冷。毛毡是干的,这一步就不会发生,后面全都不会开始。
  2. 头部变冷
  3. 头部的乙醚蒸气液化放出热量,这份热穿过玻璃,同样被毛毡上蒸发的水带走。蒸气变少,头部压强降低。
  4. 上下出现压强差
  5. 身体里的乙醚蒸气膨胀做功推液体上升:乙醚蒸气的内能 → 液体的重力势能。蒸气的内能减少,身体稍微变凉。
  6. 身体比室温凉了一点
  7. 外界空气把热传给身体(能量的真正来源)液态乙醚吸收这份热继续蒸发,补回蒸气的内能。
  8. 乙醚蒸气把这份热带到头部
  9. 头部液化放热 → 水蒸发带走 → 回到空气热量跟着水蒸气回到屋里的空气。一圈下来,空气给出的热又回到了空气。
支线:一小部分热变成了机械能

头部和身体的压强差推动液体上升,液体获得重力势能;鸟倾倒时,势能变成动能;摆动中的摩擦、液体晃动和空气阻力,又把动能变回热,最后也回到空气里。

一次点头的能量账本数量级估算

从空气吸收的热 Q入≈ 0.752 J
被蒸发的水带走的热 Q出≈ 0.750 J
变成点头的机械能 W≈ 0.002 J
Q入 = Q出 + W收支相等

怎么算的:头部散热功率约 0.05 W,一次点头约 15 秒,0.05 W × 15 s ≈ 0.75 J,相当于蒸发约 0.3 毫克水(水的汽化热约 2450 J/g)。机械能按约 2 g 液体被抬高约 10 cm 估算:mgh ≈ 0.002 kg × 9.8 N/kg × 0.1 m ≈ 0.002 J。

实际效率 W ÷ Q入≈ 0.3%
理论上限(卡诺效率)–

理论上限 = (T身体 − T头部) ÷ T身体,温度用开尔文,按上方演示的实时温度计算。温差只有几度,所以哪怕是理想的热机,也只能把不到 2% 的热变成功。饮水鸟的真实效率比这还低得多。

一次点头里,每一步的能量变化

起点:头部降温毛毡上的水吸热蒸发,把头部的热带进空气。没有水,就没有这一步,后面全都不会发生
头部乙醚液化乙醚液化放热,这份热又被毛毡上蒸发的水带走
身体乙醚蒸发空气的内能通过热传递进入身体,乙醚吸热蒸发
液体上升乙醚蒸气膨胀推液体做功:乙醚蒸气的内能 → 液体的重力势能。蒸气少掉的内能,马上由外界空气传进来的热补上,所以能量最终来自外界空气
倒下喝水重力势能 → 鸟转动的动能;嘴蘸水,毛毡靠毛细现象把水引到头部
上下连通压强差推着乙醚蒸气快速流过管子,这股流动被摩擦、混合消耗掉,变成热
液体回流重力势能 → 动能 → 液体内部摩擦生热
摆回、停稳动能和势能来回转换,最后被摩擦变成热,回到空气里
一圈合计从空气吸进来的热,最后全部以热的形式回到空气:能量没多也没少。被用掉的是“差别”:一点液态水变成了水蒸气。

能量守恒的证据:切断能量的来路,它就停

水喝干了 → 停演示里取消「杯里有水」试试
空气太潮湿 → 停湿度拉到 85% 以上试试
扣进玻璃罩 → 停罩里的空气很快被水蒸气“喂饱”
多给热 → 点得更快台灯照身体、手握身体、头上放冰
为什么还需要温差(热力学第二定律)

还缺一个条件:温差

能量守恒只告诉我们“能量不会凭空产生”,并没有说热量可以随便变成功。热力学第二定律还要求:热机必须有一个较热的地方和一个较冷的地方,热量从热处流向冷处时,才能把其中一部分变成功。饮水鸟的“冷处”是靠水蒸发造出来的,而水之所以能蒸发,是因为屋里的空气没有被水蒸气饱和。所以严格地说,饮水鸟用的是空气的内能,靠的是“空气不够潮湿”这个条件。整个过程中,房间里的总能量没有变,只是有一点液态的水变成了水蒸气。

常见疑问

延伸问题

为什么玻璃泡里要抽掉空气?

空气在室温下不会液化。如果泡里有空气,头部降温时,空气的压强只会按比例减小一点点(降 1 °C 只少约 0.3%),压强差小得多,液柱几乎升不上去。抽掉空气后,泡内只剩乙醚,压强就等于乙醚的饱和蒸气压,对温度非常敏感。

为什么选乙醚这类液体?

要满足三点:沸点低(室温下有很大的蒸气压)、蒸气压随温度变化明显、密度小(同样的压强差能压得更高)。乙醚都符合。市面上的饮水鸟也常用二氯甲烷,原理完全一样,而且不易燃。

不加水,用手握住身体会怎样?

也会点头。手让身体变热,身体处乙醚蒸发更多、压强更大,同样能把液体压上去。关键始终是“身体比头部热”,与温差从哪来无关。

为什么倾倒后管口必须露出液面?

这是“复位开关”。如果管口一直浸在液体里,头部和身体的蒸气就始终被液柱隔开,压强差一直存在,液体回不去,鸟会一直趴着。露出管口让两边蒸气连通,压强差消失,液体才能流回去。

能自己拆开看看吗?

不要。乙醚易燃、易挥发,吸入有麻醉作用;二氯甲烷对身体也有害。玻璃泡破了要开窗通风,远离明火。