饮水鸟：一个会自己喝水的玩具鸟

饮水鸟：一个会自己喝水的玩具鸟

饮水鸟是一种模仿小鸟饮水动作的玩具热力发动机，虽然看起来像是永动机，但实际上它巧妙地运用了物理学原理。

饮水鸟，也被称为贪得无厌的小鸟、灌篮鸟、饮水鸟、水鸟、蘸水鸟和“吸管鸡”，是模仿鸟从水源中饮水的动作的玩具热力发动机。 它们有时被错误地认为是永动机的例子。

结构和材料

饮水鸟由两个玻璃灯泡组成，玻璃灯泡由一根玻璃管（鸟的脖子）连接。 管子几乎一直延伸到底部灯泡中，并连接到顶部灯泡但没有延伸到顶部灯泡中。

鸟体内的空间包含一种液体，通常是彩色的，以使液体更明显。染料在光照下可能会褪色，褪色速度取决于染料/颜色。液体通常是二氯甲烷(DCM)，也称为二氯甲烷。早期版本含有三氯氟甲烷。

空气在制造过程中从设备中移除，因此主体内部的空间被从流体中蒸发的蒸汽填充。 上部灯泡有一个喙，连同头部，都覆盖着毡状材料。 这只鸟通常装饰有纸眼、塑料礼帽和一根或多根尾羽。 整个装置以连接在颈部的可调节横梁为轴。

热机步骤

饮水鸟是一种热机，它利用温差将热能转化为装置内的压差，进行机械功。 像所有热力发动机一样，饮水鸟通过热力学循环工作。系统的初始状态是一只湿头垂直的鸟。

该过程运行如下：

• 水从头上的毛毡中蒸发。
• 蒸发会降低玻璃头的温度（蒸发热）。
• 温度降低导致头部中的一些二氯甲烷蒸气冷凝。
• 较低的温度和凝结一起导致头部压力下降（由状态方程控制）。
• 较暖的底部中较高的蒸气压将液体推向颈部。
• 随着液体上升，鸟变得头重脚轻并翻倒。
• 当鸟儿翻倒时，颈管的底端会升到底部灯泡中的液体表面之上。
• 温暖的蒸汽气泡通过这个缝隙上升到管子上，在液体流动的过程中置换液体。
• 液体流回底部的灯泡（玩具的设计使得当它翻过脖子时可以倾斜）。 顶部和底部灯泡之间的压力均衡。
• 底部灯泡中液体的重量使鸟恢复到垂直位置。
• 底部灯泡中的液体被周围空气加热，其温度略高于鸟头的温度。

如果放了一杯水，让喙在下降时浸入其中，那么只要玻璃杯中有足够的水保持头部湿润，鸟就会继续吸收水分，循环就会继续。 然而，即使没有水源，只要头部是湿的，或者只要头部和身体之间保持温差，鸟就会继续浸水。 这种差异可以在头部没有蒸发冷却的情况下产生； 例如，指向底部灯泡的热源会在顶部和底部之间产生压力差，从而驱动发动机。能量的最终来源是玩具头部和底座之间的温度梯度； 该玩具不是永动机。

理化原理

饮水鸟展示了多项物理定律，因此是基础化学和物理教育的主要内容。 这些包括：

• 二氯甲烷在标准压力 po = 105 Pa 下具有低沸点(39.6 °C (103.3 °F) – 当饮水鸟首先被抽空、部分填充和密封时，压力和沸点在饮用水中 鸟会有所不同），使热机能够从低温中提取运动。 饮水鸟是一种在室温下工作的热机。
• 组合气体定律，它建立了恒定体积的气体所施加的温度和压力之间的比例关系。
  
• 理想气体定律，它建立了恒定体积中气体粒子数与压力之间的比例关系。
• Maxwell-Boltzmann 分布，它确定在给定温度下给定空间中的分子能级不同，因此可以在单一温度下以多相（固/液/气）存在。
• 汽化热（或冷凝热），确定物质在恒定温度下改变状态时吸收（或放出）热量。
• 扭矩和质心。