饮水鸟中的热力学原理

饮水鸟中的热力学原理 饮水鸟中的热力学原理 杨瑞博 饮水鸟是一种古老的中国玩具 ,外形像只鸟 ,主 于乙醚液体易挥发 , 玻璃制成 。鸟的身体是一根玻璃管 ,鸟头是管 因此 液 面 上 方 充 满 乙 醚 的 饱 和 气 。鸟 的一个小球 ,鸟尾是管下端的一个大球 。球内 液体 ,管下端浸入液面 。密闭的鸟身架在一个 头四 周 包 有 一 层 易 鸟腿的基座上 ,头部粘有尖嘴 、尾部粘有羽毛 。 吸水的布 。平时 ,鸟身略向前倾 。启动时给鸟头滴 少许水 ,布上的水在蒸发时大量吸热 ,使上球内的乙 鸟的神奇之处在于 ,在它面前放杯水 ,它就会俯 醚饱和气在降温的同时降压 ,导致下球中的饱和气 去 ,把嘴浸入水中“喝”一口 ,然后直立起来 。可 压大于上球中的气压 ,下球中的乙醚液体沿玻璃管 直立一会儿又会俯下身去“喝”一口 ,然后再次 往上压 ,于是整个鸟的重心上移 ,从而打破了支点的 起来 。饮水鸟就这样不停地点头“喝”水 ,犹如 平衡状态 。鸟身随上升的乙醚液体逐渐前倾 ,当鸟 ( 嘴接触液面时 ,上下球刚好通过玻璃管连通 如图 2 永动机 。有人曾将饮水鸟送给爱因斯坦 ,当他 ) 所示,下球中的部分气体进入上球 ,两部分气体混 并明白其原理后 ,十分惊叹饮水鸟的设计 。因 合 ,当上 、下球中压强一致时 ,失去气体压力支持的 个玩具又被叫做“爱因斯坦也吃惊的玩具”。 液体将在自身重力的作用下倒流回下球 ,饮水鸟的 重心再次下移 ,于是渐渐直立起来 ,回到初始状态 。 由于“喝”水时 ,鸟嘴接触水面 ,沾湿了裹鸟头的布 , 于是它又开始“喝”水 。 热力学原理 饮水鸟工作原理 ,工作过程包括三个阶段 : 蒸发吸热 、对外做功 、从外部热源吸收热量 。 蒸发 吸热 处于稳定状态时 ,上球中的温度为 T 、压强为 p,下球中的温度为 T 、压强为 p。由 图 1 1 1 2 2 于上 、下球都和外界大气接触 ,因此分别和外界大气 处于热平衡状态 。由热力学第零定律 , T = T ; 由 1 2 理想气体的状态方程 p V = n R T ,体积不变时上 、下 球中的压强将分别与温度存在一定的函数关系 。而 此时饮水鸟的重心刚好落在支点上 ,所以整个系统 处于稳定状态 。当鸟头滴上水后 ,水的蒸发带走上 球中的部分热量 Q 。 1 Δ 对外做功 由热力学公式 Q = CT ,上球的 1 v 温度 T 将下降 。由于 p与 T 成正比例关系 ,所 1 1 1 以压强 p也将下降 。于是上 、下球间出现压力差 ,1 图 2 工作原理 物理名词溯源 ———物理学和熵 赵占龙 王永杰 物理学的一个基础学科 。 , 庄 中国“物理”一词的出现可追溯到战国时期《里的“物理学” () p hysics一词源于古希 子?知北游》中有“圣人者 , 原天地之美而达万物之 Φνδικη腊词语“”, 最早见于亚里士多德的《物理学》 理”。此后该词在各种典籍中屡次出现 ,其含义和希 ΦνδικηΦνδιζ( ) 一书 。“”这个词由古希腊“”自然一词 腊文的“自然哲学”颇为相似 ,泛指自然万物所具有 演绎而来 ,被亚里士多德用于指自然哲学 。 的规律 ,同时还包括医药 、卜筮 、神鬼方术等等 。 西《物理学》的中文译者张竹明先生指出 :这本《物 理学》其实是一门以自然界为研究对象的哲学 。总 方现代意义上的物理学最初引入中国时 ,并 之 ,它不同于现在的物理学 , 而是涉及整个自然科 不叫“物理学”。早期的一些著作把物理学译成 学 ,包括现在的物理学 、化学 、生物学 、天文学 、地学 “格致”“格物”“穷理”“体学”等 ; 有的甚至根据拉丁 等等 。它只研究自然界的总原理 ,是自然哲学 。由 文 p hysica 音译成“费西卡”“费西伽”等 。1879 年美 于后来证明《物理学》中所记述的诸多结论都是错误 国人林乐知将一本作者名为罗斯古的物理书译成汉 ( 的 ,所 以 美 国 物 理 学 家 乔 治 ?伽 莫 夫 Geogre Ga2 ) mowa指出 :亚里士多德“在物理学领域最重要的贡 语 ,并命 名 为《格 致 启 蒙 》, 其 中 第 二 卷 为 格 物 学 ; 献也许只是创造了这门科学的名字”。 1883 年美国传教士丁韪良也将一本物理书译为汉 Φνδικη希腊文“”被译为拉丁文“p hysica”, 后来 语 ,名为《格物测算》,另外 ,1889 年 、1886 年分别出 又转译为英文“p hysics”。“自然哲学”即关于自然界 版了《格物入门》和译著《格致小引》。 原理的科学 , 这个意思一直沿 用 到 17 世 纪 。1666 p hysica 或 p hysics 直接译为“物理学”或“物理” 年法兰西科学院成立时 ,研究活动分成数学和物理 起于何时 , 至今尚无定论 。国内学者最早的“物理 学两大类 ,数学包括力学和天文学 ,物理学则包括化 学”和“物理”译名都见诸于本世纪初的教科书 。如 ,学 、植物学 、解剖学和生理学等 ,可见此时物理学涉 1900 年中国的王季烈和日本的藤田丰八 ,将日本人 及的学科仍比较广泛 ,是广义的自然哲学 。1687 年 钣盛挺造出版的《物理学》一书译为汉语 ,这是我国 牛顿发表三大运动定律时 ,还是以自然哲学命名 ,他 第一本具有现代“p hysics”内容并称为“物理学”的当时用的拉丁文书名为《自然哲学的数学原理》。 编 写 的《物 理 书 。1918 年 商 务 印 书 馆 出 版 了 陈 西方近代科学革命之后的 1793 年 ,法国皇家科学》,这是第一本名为《物理学》的国人“p hysics”著 学院出版了《物理学词典》。该书具有全新内涵的物 作 。此后以物理学或物理为书名逐渐普遍 。理学概念 ,不包括任何化学和自然史方面的条目 ,标 熵 志着真正现代意义上基于数学和实验的物理学诞生 德国物理学家克劳修斯于 1850 年提出热力学 了 。物理学从此发展起来 ,并成为现代自然科学中 第二定律的一种表述 : 热量不能自动地从低温物体 传向高温物体 。热力学第二定律指出其他一切不可 逆过程的共同规律 :在一切与热有关的现象中 ,自发 将在重力作用下倒流回下球 , 饮水鸟就直立起来 。 能量不易察觉 ,才被误认为永动机 。 由于蒸发吸热过程带走热量 Q ,下球气体又对外做 神奇的饮水鸟充分体现了我国古代劳动人民的1 功 W ,因此混合后的气体平均温度会降低 。上 、下 聪明才智 , 为我们提供了利用天然能源的新 。 我们可以将饮水鸟看成一个热机 ,下球周围的空气 球中的气体将通过热传递吸收来自周围空气中的热 量 Q ,使整个装置重新回到最初时的平稳位置 , 并 是热源 ,包在鸟头上的湿布是冷源 ,它通过降温获得 开始下一轮循环 。温差 ,而不同于以往热机通过升温获得温差 。从能 通过以上分析可得 Q = Q + W , 这说明饮水 源开发的角度 ,这一点值得我们借鉴 。1 ()鸟并不违背热力学第一定律 ,只是由于它所消耗的 江苏省徐州中国矿业大学理学院 221008 现代物理知识 ?54 ?