飲水鳥
編輯飲水鳥,也被稱為貪得無厭的小鳥、灌籃鳥、飲水鳥、水鳥、蘸水鳥和“吸管雞”,是模仿鳥從水源中飲水的動作的玩具熱力發動機。 它們有時被錯誤地認為是永動機的例子。
結構和材料
編輯飲水鳥由兩個玻璃燈泡組成,玻璃燈泡由一根玻璃管(鳥的脖子)連接。 管子幾乎一直延伸到底部燈泡中,并連接到頂部燈泡但沒有延伸到頂部燈泡中。
鳥體內的空間包含一種液體,通常是彩色的,以使液體更明顯。 染料在光照下可能會褪色,褪色速度取決于染料/顏色。液體通常是二氯甲烷 (DCM),也稱為二氯甲烷。早期版本含有三氯氟甲烷。Miles V. Sullivan 1945 年的專利建議使用乙醚 、酒精、四氯化碳或氯仿。
空氣在制造過程中從設備中移除,因此主體內部的空間被從流體中蒸發的蒸汽填充。 上部燈泡有一個喙,連同頭部,都覆蓋著氈狀材料。 這只鳥通常裝飾有紙眼、塑料禮帽和一根或多根尾羽。 整個裝置以連接在頸部的可調節橫梁為軸。
熱機步驟
編輯飲水鳥是一種熱機,它利用溫差將熱能轉化為裝置內的壓差,進行機械功。 像所有熱力發動機一樣,飲水鳥通過熱力學循環工作。 系統的初始狀態是一只濕頭垂直的鳥。
該過程運行如下:
- 水從頭上的毛氈中蒸發。
- 蒸發會降低玻璃頭的溫度(蒸發熱)。
- 溫度降低導致頭部中的一些二氯甲烷蒸氣冷凝。
- 較低的溫度和凝結一起導致頭部壓力下降(由狀態方程控制)。
- 較暖的底部中較高的蒸氣壓將液體推向頸部。
- 隨著液體上升,鳥變得頭重腳輕并翻倒。
- 當鳥兒翻倒時,頸管的底端會升到底部燈泡中的液體表面之上。
- 溫暖的蒸汽氣泡通過這個縫隙上升到管子上,在液體流動的過程中置換液體。
- 液體流回底部的燈泡(玩具的設計使得當它翻過脖子時可以傾斜)。 頂部和底部燈泡之間的壓力均衡。
- 底部燈泡中液體的重量使鳥恢復到垂直位置。
- 底部燈泡中的液體被周圍空氣加熱,其溫度略高于鳥頭的溫度。
如果放了一杯水,讓喙在下降時浸入其中,那么只要玻璃杯中有足夠的水保持頭部濕潤,鳥就會繼續吸收水分,循環就會繼續。 然而,即使沒有水源,只要頭部是濕的,或者只要頭部和身體之間保持溫差,鳥就會繼續浸水。 這種差異可以在頭部沒有蒸發冷卻的情況下產生; 例如,指向底部燈泡的熱源會在頂部和底部之間產生壓力差,從而驅動發動機。 能量的最終來源是玩具頭部和底座之間的溫度梯度; 該玩具不是永動機。
理化原理
編輯飲水鳥展示了多項物理定律,因此是基礎化學和物理教育的主要內容。 這些包括:
- 二氯甲烷在標準壓力 po = 105 Pa 下具有低沸點 (39.6 °C (103.3 °F) – 當飲水鳥首先被抽空、部分填充和密封時,壓力和沸點在飲用水中 鳥會有所不同),使熱機能夠從低溫中提取運動。 飲水鳥是一種在室溫下工作的熱機。
- 組合氣體定律,它建立了恒定體積的氣體所施加的溫度和壓力之間的比例關系。
- 理想氣體定律,它建立了恒定體積中氣體粒子數與壓力之間的比例關系。
- Maxwell-Boltzmann 分布,它確定在給定溫度下給定空間中的分子能級不同,因此可以在單一溫度下以多相(固/液/氣)存在。
- 汽化熱(或冷凝熱),確定物質在恒定溫度下改變狀態時吸收(或放出)熱量。
- 扭矩和質心。
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