喝水鳥裡的科學

中國古玩具令愛因斯坦吃驚 – 大紀元

那隻外觀似麻雀的製作技術現已失傳，市面上目前所能看到的外觀幾乎都是下列這款可愛的造型 → 淘寶 RMB13.5，蝦皮89元

喝水鳥看起來似乎能持續不斷的擺動，這個神奇的機制其實就是亂度熵，亦即若將它放在密閉的玻璃櫃中，它就無法持續擺動下去，詳細的機制說明如下：

能將熱能轉換成動能的熱機，其工作流體在壓縮後經加熱而膨脹作正功，膨脹後先冷卻再壓縮作負功而完成熱機循環。若符合這種條件的裝置是史特林引擎，那麼這隻喝水鳥就可視為是一種可愛的史特林引擎了。為什麼筆者會這麼認為呢？因為熱機必須有冷熱兩側的溫差，史特林引擎的熱區是由酒精燈來提供，冷區是室溫環境；而喝水鳥的熱區是腹部的室溫環境，冷區則是由頭部的蒸發致冷效應來達成，至於工作流體則是喝水鳥的肚子內有發生相變的二氯甲烷。史特林引擎的一個完整循環分為四個過程，若從喝水鳥的 P-V 圖來分析，同樣也是分為四個過程：

1→2的過程，頭部的氣體被壓縮而冷凝成液體，凝結熱藉由鳥頭的水分蒸發，以廢熱形式散逸於外界。至於喝水鳥的 P-V 圖，一個完整的循環也是分為四個過程：
2→3的過程，當鳥頭降到最低點時，頭部的液體由打通的玻璃管通道流回腹部，低溫液體並被加熱成高溫狀態，所增加的內能來自於室溫的加熱。
3→4的過程，腹部的高溫液體繼續被熱源(外界空氣)蒸發成高溫氣體，氣體並推動液柱上升，造成重心上移，進而提升了系統的力學能。此過程中由外界所吸收的熱能 Q＝內能增加量ΔE(相變所需的汽化熱)＋機械功W(擺動的動能&增加的重力位能)。
4→1的過程，當鳥頭降到最低點時，腹部的氣體由玻璃管通道向上沖回頭部，並藉由鳥頭水分的蒸發，將其冷卻成低溫氣體而回到起始狀態。

接著來分析它的 T-S 圖(溫度-亂度熵)：

1→2 的過程，冷凝後液體的亂度熵會比原先的氣體時小。
2→3 的過程，由於熵 S ＝ 供給熱 Q／溫度T，所以液體吸熱後熵變大。
3→4 的過程，液體蒸發成氣體時，亂度熵變大。
4→1 的過程，氣體降溫會放熱，亂度熵變小。

史特林引擎車若要增加輸出的功，就必須提高冷、熱區之間的溫差。而這隻喝水鳥若要增加輸出的功（擺得快），也是得提高冷、熱區之間的溫差，亦即降低室溫環境中的濕度，因為這樣才能提高蒸發速率而形成比較低溫的鳥頭冷區。至於若外界環境的濕度已達飽和，則蒸發不再持續進行，冷熱區的溫度就會相等，喝水鳥也就會停止擺動了。