【科學有意思】讓大科學家愛因斯坦驚嘆不已的＂飲水鳥＂

2021-02-25 趣兀科學實驗站

中國古代玩具飲水鳥類似永動機的狀態曾經讓大科學家愛因斯坦也驚嘆不已。"飲水鳥"的形象最後一次公開出現是在上世紀30年代時一本國外的科普讀物上，之後就銷聲匿跡了。

球內裝有液體，管的下端浸在液面下。整個鳥身是密閉的，架在一個類似鳥腿的座上。它的頭部粘有尖尖的嘴，尾部粘有羽毛。為了讓人不能看清鳥身體裡的秘密，它的身體被塗上了黑色。而它的神奇之處就是，在鳥的面前放上一杯水，鳥就會俯下身去，把嘴浸到水裡，"喝"了一口後，又直立起來。可是直立一會兒它又會俯下身去，等到鳥嘴浸到了水，"喝"了一口，又會直立起來。就這樣，它不停地點頭喝水，這到底是怎麼回事呢?

a.頭部受冷，氣壓下降，尾部的液體因為吸力沿頸部上升。這樣頭的重量在增加，尾部的重量在減輕，重心位置發生變化，當重心超過腳架支點而移向頭部時，鳥就俯下身到平衡位置。這個位置可以通過鳥嘴的重量來調試。

b.頭部降低，內部發生兩個變化。一是"飲水鳥"的嘴浸到了水，這樣鳥頭被打溼。二是上下的蒸汽區域連通，兩部分氣體混合，沒有了氣壓差，但由於吸收了周圍空氣的熱量，蒸汽的溫度略有上升。這時上升到頭部的液體，在本身的重量作用下流向下端尾部。

c.尾部變重，頭部向上翹，液體全部集中到尾部，同時，頭部的蒸汽因為剛粘到的水又開始冷卻。

原來"飲水鳥"頭部不斷蒸發所吸收的周圍空氣的熱量，就是這奇妙的"飲水鳥"能夠活動的原動力。

這種玩具不是一種利用環境中熱能的第二類永動機。"飲水鳥"是一種遵守熱力學定律的典型熱機，它之所以能不停地點頭喝水，是因為它利用了一些複雜的物理學原理。

飲水鳥的頭和軀體分別為兩個薄壁玻璃球( 以下簡稱"上球"和" 下球") , 其間以一根玻璃管連通, 內裝乙醚液體, 構成一個密閉容器。由於乙醚液體易揮發,因此液面上方充滿乙醚的飽和氣。鳥頭四周包有一層易吸水的布。平時, 鳥身略向前傾。啟動時給鳥頭滴少許水, 布上的水在蒸發時大量吸熱, 使上球內的乙醚飽和氣在降溫的同時降壓，又因為溫度降低乙醚蒸汽變得過飽和了，有少量乙醚蒸汽凝結成液體，乙醚蒸汽的量變少，氣體體積進一步縮小，並放熱阻止溫度降低, 此時下球中的飽和氣壓大於上球中的氣壓, 下球中的乙醚液體沿玻璃管往上壓,下球壓強變小，裡面的蒸汽變的不飽和，少量乙醚氣化，下球裡的乙醚蒸汽的量變大，同時從乙醚液體吸熱， 於是整個鳥的重心上移, 從而打破了支點的平衡狀態。鳥身隨上升的乙醚液體逐漸前傾, 當鳥嘴接觸液面時, 上下球剛好通過玻璃管連通 , 下球中的部分氣體進入上球, 兩部分氣體混合, 當上、下球中壓強一致時, 失去氣體壓力支持的液體將在自身重力的作用下倒流回下球, 飲水鳥的重心再次下移, 於是漸漸直立起來, 回到初始狀態。由於"喝水"時, 鳥嘴接觸水面, 沾溼了裹鳥頭的布,於是它又開始" 喝水"。飲水鳥內部變化的原理與超導體熱管一樣，通過氣化液化傳遞熱能，實際蒸汽的溫度並無大的變化。

圖文摘自網絡

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