Пьющая птица

Пьющая птица
Пьющая птица собирается окунуть клюв в воду
Классификация	Тепловые двигатели
Приложение	Игрушка , научная демонстрация
Источник топлива	Теплопередача
Компоненты	Лампы, трубка, ось, опора
изобретатель	Майлз В. Салливан / Китайские мастера
Изобретенный	1945 г. / гораздо раньше 1920 г.

Пьющие птицы , также известные как макающие птицы, пьющие птицы, водоплавающие птицы или макающие птицы. — это игрушечные тепловые двигатели , имитирующие движения птицы, пьющей воду из источника. Иногда их ошибочно считают примерами вечного двигателя .

Строительство и материалы

Питьевая птица состоит из двух стеклянных колб, соединенных стеклянной трубкой (шея/тело птицы). Трубка почти полностью доходит до нижней колбы и прикрепляется к верхней колбе, но не доходит до нее.

Пространство внутри птицы содержит жидкость, обычно окрашенную для наглядности. (Этот краситель может выцветать под воздействием света, причем скорость зависит от красителя/цвета). Жидкость обычно представляет собой дихлорметан (DCM), также известный как метиленхлорид. Более ранние версии содержали трихлорфторметан . В патенте Майлза В. Салливана 1945 года предлагался эфир , спирт , четыреххлористый углерод или хлороформ .

При изготовлении из аппарата удаляется воздух, поэтому пространство внутри корпуса заполняется парами, испаряющимися из жидкости. К верхней луковице прикреплен «клюв», который вместе с головкой покрыт материалом, похожим на войлок. Птицу обычно украшают бумажными глазами, пластиковым цилиндром и одним или несколькими рулевыми перьями. Все устройство поворачивается на крестовине, прикрепленной к корпусу.

Шаги теплового двигателя

Продолжительность: 1 минута 9 секунд. 1:09

Видео пьющей птицы

Питьевая птица представляет собой тепловую машину , которая использует разницу температур для преобразования тепловой энергии в разницу давления внутри устройства и выполняет механическую работу . Как и все тепловые двигатели, пьющая птица работает в рамках термодинамического цикла . Исходное состояние системы — птица с мокрой головой, ориентированная вертикально.

Процесс работает следующим образом:

1. Вода испаряется с войлока на голове.
2. Испарение снижает температуру стеклянной головки ( теплоту парообразования ).
3. Снижение температуры приводит к конденсации части паров дихлорметана в головке.
4. Более низкая температура и конденсация вместе приводят к падению давления в напоре (что регулируется уравнениями состояния ).
5. Более высокое давление пара в более теплой основе выталкивает жидкость вверх по горлышку.
6. Когда жидкость поднимается вверх, птица становится тяжелой и опрокидывается.
7. Когда птица опрокидывается, нижний конец горловины приподнимается над поверхностью жидкости в нижней колбе.
8. Пузырь теплого пара поднимается вверх по трубке через этот зазор, вытесняя жидкость по ходу движения.
9. Жидкость стекает обратно в нижнюю колбу (игрушка устроена так, что при опрокидывании наклон шеи позволяет это сделать). Давление выравнивается между верхней и нижней лампами.
10. Вес жидкости в нижней колбе возвращает птицу в вертикальное положение.
11. Жидкость в нижней колбе нагревается окружающим воздухом, температура которого немного превышает температуру головы птицы.

Если поставить стакан с водой так, чтобы клюв погружался в него при спуске, птица будет продолжать поглощать воду, и цикл будет продолжаться до тех пор, пока в стакане будет достаточно воды, чтобы голова оставалась влажной. Однако птица будет продолжать нырять даже без источника воды, пока голова мокрая или пока сохраняется разница температур между головой и телом. Этот дифференциал может быть получен без испарительного охлаждения в головке; например, источник тепла, направленный на нижнюю колбу, создаст перепад давления между верхом и низом, который приведет в движение двигатель. Основным источником энергии является температурный градиент между головой и основанием игрушки; игрушка не вечный двигатель.

Физические и химические принципы

Видео «Инженерия пьющей птицы»

Пьющая птица представляет собой демонстрацию нескольких физических законов и поэтому является основным продуктом базового образования по химии и физике . К ним относятся:

• Дихлорметан ( с низкой температурой кипения 39,6 ° C (103,3 ° F) при стандартном давлении p ^тот  = 10 ⁵  Па - поскольку птица-поилка сначала вакуумируется, частично заполняется и герметизируется, давление и, следовательно, температура кипения в птице-поилке будут разными), дает тепловому двигателю возможность извлекать движение из низких температур. Пьющая птица — это тепловая машина, работающая при комнатной температуре.
• Комбинированный газовый закон , который устанавливает пропорциональную связь между температурой и давлением, оказываемым газом в постоянном объеме.
• Закон идеального газа , устанавливающий пропорциональную зависимость между количеством частиц газа и давлением в постоянном объеме.
• Распределение Максвелла -Больцмана , которое устанавливает, что молекулы в данном пространстве при данной температуре различаются по энергетическому уровню и, следовательно, могут существовать в нескольких фазах (твердое тело/жидкость/газ) при одной температуре.
• Теплота испарения (или конденсации), устанавливающая, что вещества поглощают (или отдают) тепло при изменении состояния при постоянной температуре.
• Крутящий момент и центр масс .
• Капиллярное действие впитывающего фетра.
• Температура по влажному термометру : Разница температур между головой и телом зависит от относительной влажности воздуха.

На работу птицы также влияет относительная влажность .

Используя смесь воды и этанола вместо воды, можно продемонстрировать эффект различной скорости испарения.

Учитывая разницу между температурами по влажному и сухому термометрам, можно разработать математическое выражение для расчета максимальной работы, которую можно произвести из данного количества «выпитой» воды. Такой анализ основан на определении КПД тепловой машины Карно и психрометрических понятиях.

Пьющую птицу можно также рассматривать как энтропийный двигатель, приводимый в движение разницей энтропии жидкой воды и энтропии водяного пара, рассеянного в воздухе, то есть суммы энтропии испарения чистой воды плюс энтропии разбавления. водяного пара в воздухе. Испарение воды — это эндотермический процесс, требующий поступления тепловой энергии или потока положительной энтальпии из окружающей среды. Поскольку самопроизвольный процесс требует отрицательного изменения свободной энергии Гиббса , положительная энтальпия должна быть преодолена за счет значительного увеличения энтропии.

История

К 1760-м годам (или ранее) немецкие ремесленники изобрели так называемый «импульсный молот» ( Pulshammer ). В 1767 году Бенджамин Франклин посетил Германию, увидел импульсный молоток и в 1768 году усовершенствовал его. Импульсный молот Франклина состоял из двух стеклянных колб, соединенных U-образной трубкой; одна из колб была частично заполнена водой, находящейся в равновесии с ее парами. Если держать частично наполненную колбу в руке, вода перетечет в пустую колбу. В 1872 году итальянский физик и инженер Энрико Бернарди объединил три трубки Франклина, чтобы построить простой тепловой двигатель, который работал за счет испарения, подобно пьющей птице.

В 1881 году Исраэль Л. Ландис получил патент на аналогичный колебательный двигатель. Год спустя (1882 г.) братья Иске получили патент на аналогичный двигатель. В отличие от пьющей птицы, в этом двигателе нижний бак имел подогрев, а верхний бак просто имел воздушное охлаждение. В остальном он использовал тот же принцип. За это время братья Иске получили различные патенты на родственный двигатель, который теперь известен как колесо Минто .

Китайская игрушка-птица-пьющая, датируемая 1910-1930-ми годами, под названием «Ненасытная птичка» описана в Якова Перельмана «Физике для развлечений» . В книге объяснялся «ненасытный» механизм: «Поскольку температура головной трубы становится ниже, чем у хвостового резервуара, это вызывает падение давления насыщенных паров в рулевой трубе…» В Шанхае, Китай, говорили, что когда Альберт Эйнштейн и его жена Эльза приехали в Шанхай в 1922 году, они были очарованы китайской игрушкой «ненасытная птичка».

Кроме того, японский профессор игрушек Такао Сакаи из Университета Тохоку также представил эту китайскую игрушку.

Артур М. Хиллери получил патент США в 1945 году. Артур М. Хиллери предложил использовать ацетон в качестве рабочей жидкости. Он был снова запатентован в США Майлзом В. Салливаном в 1946 году. Он был доктором философии. изобретатель-ученый в Bell Labs в Мюррей-Хилл, штат Нью-Джерси , США. Роберт Т. Плейт получил в 1947 году патент США на дизайн , в котором цитируется патент Артура М. Хиллери.

• 
  Израиль Л. Лэндис 1881 г.
• 
  Братья Иске 1881
• 
  Артур М. Хиллери, 1944 год.
• 
  Miles V. Sullivan 1945
• 
  Роберт Т. Плейт, 1947 год.

Заметное использование в популярной культуре

Пьющая птица использовалась во многих художественных контекстах.Пьющие птицы были показаны как элементы сюжета в «Веселые мелодии» мультфильме 1951 года «Putty Tat Trouble» и научно-фантастическом триллере 1968 года «Сила» . В S4E11 комедийного сериала « Замедленное развитие» бредовый персонаж слышит голос Бога, говорящий через пьющую птицу.

современного австралийского драматурга Джона Ромерила В пьесе «Плавающий мир » пьющие птицы являются символическим реквизитом, символизирующим развитие безумия Леса.

Альтернативный дизайн

В 2003 году Надин Абрахам и Питер Палфи-Мухорей из Огайо, США, разработали альтернативный механизм, который использует капиллярное действие в сочетании с испарением для создания движения, но не имеет летучей рабочей жидкости. Их статья «Купающаяся птица второго рода». был представлен в Американский журнал физики и опубликован в июне 2004 года. Он описывает механизм, который, хотя и похож на оригинальную пьющую птицу, работает без разницы температур. используется сочетание капиллярного действия , гравитационной разности потенциалов и испарения Вместо этого для питания устройства воды.

Эта птица работает следующим образом: она сбалансирована так, что в сухом состоянии наклоняется головой вниз. Птицу помещают рядом с источником воды так, чтобы ее клюв соприкасался с водой. Затем вода поднимается в клюв под действием капиллярных сил (авторы использовали треугольную губку) и под действием капиллярных сил переносится мимо точки опоры в более крупный резервуар из губок, который они сделали похожим на крылья. Когда резервуар впитает достаточно воды, тяжелое дно заставляет птицу опрокидываться головой вверх. Когда клюв выходит из воды, в конечном итоге из губки испаряется достаточно воды, чтобы восстановить первоначальный баланс и голова снова наклоняется вниз. Хотя небольшое понижение температуры может произойти из-за испарительного охлаждения, это не способствует движению птицы. Устройство работает относительно медленно: среднее измеренное время цикла составляет 7 часов 22 минуты.

См. также

• Колесо Минто — тепловая машина , состоящая из набора герметичных камер с летучей жидкостью внутри, как у пьющей птицы.
• Криофор — стеклянная емкость с двумя колбами, содержащая жидкую воду и водяной пар . Его используют на курсах физики для демонстрации быстрого замерзания путем испарения.
• Тепловая трубка — устройство теплопередачи , которое использует фазовый переход для передачи тепла между двумя твердыми границами раздела .
• Термодинамика - раздел физики, изучающий тепло и температуру и их связь с энергией и работой.

Внешние ссылки

• Мориарти, Филип (2009). «Пьющая утка» . Шестьдесят символов . Брэди Харан из Ноттингемского университета .