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。
能量此刻:– 整体能量账本
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。
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。
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。
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。
点任意一步,上方演示台会停在那一刻,镜头自动推过去。
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。
造出“冷的一头”。毛毡干了,鸟就停。
乙醚蒸气做功少掉的内能,由空气传进来的热补上。
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。
| 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。
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。
| 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。
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。
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。
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。
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。
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。