Эта термодинамическая игрушка привлекает и удивляет тем, что может забавно качаться без видимого подвода энергии извне, причем как это может показаться, неограниченно долго. Игрушка представляет собой два полых шарообразных стеклянных сосуда – верхний пустой и нижний заполненный легкокипящей жидкостью. Сосуды герметично соединены стеклянной трубкой, которая своим нижним концом погружена в жидкость и почти касается дна нижнего сосуда. В средней части трубки жестко закреплены качающиеся опоры, с помощью которых игрушка может, наклоняется так, что верхний и нижний сосуды оказываются на одном горизонтальном уровне. Верхний сосуд стилизован под головку птички и покрыт ворсистой тканью. Если вся жидкость находится только в нижнем сосуде, центр тяжести стеклянной птички ниже опорных точек и это обеспечивает устойчивое равновесие игрушки в вертикальном положении. При наклоне игрушки, когда верхний и нижний сосуды находятся на одном уровне, стилизованный клюв опускается в небольшую емкость с водой на подставке и ворсистая ткань легко впитывает воду. В таком положении жидкость может переливаться по стеклянной трубке из нижнего сосуда в верхний.
Если изначально игрушка находится в статическом равновесии, то чтобы заставить ее качаться, необходимо смочить водой ворсистую ткань на верхнем сосуде. Спустя две –три секунды вода начнет испаряться и начнется так называемый фазовый переход первого рода. Хотя фазовых состояний вещества всего три – твердое, жидкое и газообразное, фазовых переходов существует шесть:
- жидкость может превратиться в пар и обратно - испарение и конденсация;
- твердое тело может превратиться в жидкость и обратно - плавление и кристаллизация;
- твердое тело может сразу превратиться в пар и наоборот - сублимация, например испарение сухого льда и десублимация, например, появление кристаллов льда на поверхности стекла известное нам как изморозь.
Любой процесс фазового перехода первого рода сопровождается либо поглощением тепла, либо его выделением. Если в процессе перехода вещества из одной фазы другую тепло выделяется, такой фазовый переход называется экзотермическим. Самым наглядным примером экзотермического фазового перехода является горение угля или бензина. Если тепло поглощается, такие процессы называются эндотермическими и самый очевидный из них - плавление, при котором необходим подвод внешней тепловой энергии и нагрев твердого вещества чтобы разорвать межмолекулярные связи, и оно из твердой фазы перешло в жидкую. Испарение тоже эндотермический процесс, чтобы часть жидкости превратилась пар, необходима такая температура жидкости, которая обеспечит ее молекулам скорость, достаточную для преодоления сил поверхностного натяжения, и они, оторвавшись от основного объема, перешли в газообразное состояние. Обычно, такой процесс мы называем кипением, и чтобы его поддерживать необходимо все время подводить энергию извне. Впрочем, для воды, чтобы часть молекул отрывалась от поверхности и превращалась в пар, достаточно и комнатной температуры, вода испаряется. Вылетевшие из воды молекулы, уносят часть энергии, и чтобы восполнить потерю энергии, жидкость поглощает ее из окружающей среды, именно поэтому процесс испарения является эндотермическим. При этом поглощение водой внешней энергии происходит по всему объему, а испарившиеся молекулы уносят энергию только с поверхности поэтому самые близлежащие слои воды немного охлаждаются, примерно на один – полтора градуса Цельсия.
Это же происходит и в нашей игрушке, когда вода начнет испаряться часть молекул уносясь с поверхности ворсистой ткани, «головы птички» забирают с собой часть тепловой энергии, ткань и стекло под ней начинают охлаждаться, объем паров легкокипящей жидкости в верхнем сосуде уменьшится. В соответствии с уравнением состояния идеальных газов Клайперона, уменьшение температуры и объема паров обеспечит разницу давлений в верхнем и нижнем сосуде и это обеспечит подъем легкокипящей жидкости из нижнего сосуда в верхний. Подробнее об уравнении Клайперона» можно прочитать в описании к игрушке «Любвимер». Когда достаточная масса жидкости окажется в «голове птички» центр тяжести переместится в положение над опорами, игрушка опрокинется и займет горизонтальное положение. После опрокидывания стилизованный «клюв» птички, обмотанный тканью, ненадолго погрузится в воду и, пропитавшись, восполнит убыль испарившейся. Одновременно часть паров легкокипящей жидкости из верхнего сосуда переместятся в нижний, центр массы опустится, и игрушка займет вертикальное положение. Ну а далее повторится как процесс испарения, так и качание игрушки.
Может создаться впечатление, что на принципе действия игрушки можно построить реальный вечный двигатель, который будет работать неопределенно долго и совершенно бесплатно. Однако это, конечно не так, (подробнее о «вечных двигателях можно прочитать в описании к игрушке «Гравитационная тележка»). В действительности игрушка будет работать только до тех пор, пока не испарится вся вода, необходимая для смачивания «клюва уточки». При этом, если рассматривать воду как «топливо» для работы нашего игрушечного двигателя, то его коэффициент полезного действия будет настолько мал, что какой-либо практической пользы извлечь вряд ли удастся. Конечно, кроме удовольствия от наблюдения за колебаниями «птички» и изучения физических принципов, лежащих в основе ее работы.