Chim uống nước hoạt động thế nào: động cơ nhiệt tí hon trên bàn

Chim uống nước là một động cơ nhiệt tí hon: nó gật đầu mãi không cần pin vì nước bay hơi làm mát cái đầu bọc nỉ, hơi chất lỏng trong đầu ngưng lại, áp suất ở đầu tụt xuống thấp hơn ở thân, chất lỏng bị đẩy lên cổ làm chim chúi về phía trước. Khi chim cúi gần nằm ngang, hai khoang thông nhau, áp suất cân bằng lại, chất lỏng chảy về thân và chim ngẩng lên. Năng lượng đến từ chính không khí trong phòng, nên trời càng khô chim càng gật nhanh, trời nồm ẩm thì nó lười hẳn.

Một con chim thuỷ tinh không bao giờ khát

Ai từng thấy món đồ để bàn này đều nhớ cảnh: con chim thuỷ tinh mỏ đỏ, đội mũ chóp, chậm rãi nghiêng người, nhúng mỏ vào cốc nước, rồi ngẩng lên, đứng lắc lư một lúc, lại cúi xuống. Hàng giờ liền, không dây điện, không lên dây cót. Trông như một cỗ máy chuyển động vĩnh cửu, thứ mà vật lý khẳng định là không thể có.

Lời giải là con chim không hề chạy "vô cớ". Nó lấy năng lượng từ môi trường, giống như một chiếc cối xay gió lấy năng lượng từ gió. Chỉ có điều nguồn năng lượng của nó khó thấy hơn: chênh lệch nhiệt độ rất nhỏ giữa cái đầu ướt và cái thân khô. Mẫu chim gật đầu này được cấp bằng sáng chế ở Mỹ vào giữa thập niên 1940 và từ đó trở thành vật quen trên bàn làm việc, trong lớp học vật lý khắp nơi.

Bên trong con chim có gì

Cấu tạo gồm vài phần:

• Hai bầu thuỷ tinh: bầu dưới là thân, bầu trên là đầu, nối với nhau bằng một ống thuỷ tinh làm cổ. Đầu dưới của ống cắm sâu gần đáy bầu thân.
• Chất lỏng dễ bay hơi, thường là dichloromethane (DCM), nhuộm màu cho dễ nhìn. Bên trong không có không khí, chỉ có chất lỏng và hơi của chính nó.
• Lớp nỉ bọc quanh đầu và mỏ, hút nước giữ ẩm.
• Trục xoay kẹp ngang cổ, đặt trên hai chân đế, cho chim chao lên xuống như một chiếc bập bênh.

DCM sôi ở khoảng 40 °C dưới áp suất khí quyển. Ở nhiệt độ phòng 20 °C, áp suất hơi bão hoà của nó đã vào khoảng 47 kPa, gần một nửa áp suất khí quyển. Điểm mấu chốt là áp suất này thay đổi rất nhạy theo nhiệt độ: quanh nhiệt độ phòng, mỗi độ chênh lệch làm áp suất hơi đổi chừng 1,8 kPa.

Bốn nhịp của một lần gật đầu

Nhịp 1: đầu ướt nguội đi

Nước trong lớp nỉ bay hơi. Muốn bay hơi, phân tử nước phải lấy năng lượng, và chúng lấy từ chính lớp nỉ và thuỷ tinh bên dưới. Đầu chim vì thế lạnh hơn không khí xung quanh vài độ, đúng như ta thấy mát khi mồ hôi khô trên da.

Nhịp 2: áp suất trong đầu tụt, chất lỏng leo lên cổ

Đầu lạnh hơn thì một phần hơi DCM trong đầu ngưng tụ, áp suất hơi trong đầu giảm. Thân chim vẫn ấm bằng nhiệt độ phòng nên áp suất hơi ở thân cao hơn. Chênh lệch này đẩy chất lỏng từ thân lên ống cổ. Tính nhanh: DCM nặng khoảng 1,33 lần nước; chênh 1,8 kPa ứng với một độ có thể đỡ một cột DCM cao khoảng 14 cm. Nghĩa là đầu chỉ cần lạnh hơn thân một độ là đã đủ đẩy chất lỏng lên gần hết chiều dài cổ.

Nhịp 3: trọng tâm dời lên, chim chúi xuống

Chất lỏng dâng lên cổ và tràn vào đầu, trọng tâm của cả con chim dời lên cao và ra phía trước trục xoay. Mô men của trọng lực đổi chiều, chim bắt đầu nghiêng tới, mỏ cắm vào cốc nước. Lớp nỉ hút nước lên nhờ mao dẫn, đầu lại ướt đẫm.

Nhịp 4: cân bằng áp suất, chim ngẩng lên

Khi chim cúi gần nằm ngang, đầu dưới của ống cổ nhô lên khỏi mặt chất lỏng trong bầu thân. Một bọt hơi chui qua ống, nối thông hai khoang. Áp suất hai bên bằng nhau ngay lập tức, chất lỏng không còn bị đẩy nữa nên chảy ngược về thân. Trọng tâm tụt xuống, chim bật dậy, lắc lư vài nhịp rồi đứng yên chờ vòng sau.

Chu trình lặp lại đúng như một động cơ: nhận nhiệt ở "nguồn nóng" (thân, sưởi bằng không khí phòng), thải nhiệt ở "nguồn lạnh" (đầu, làm mát bằng bay hơi), và chuyển một phần rất nhỏ thành công cơ học nâng hạ chất lỏng.

Chim chạy bằng độ khô của không khí

Đầu chim lạnh được bao nhiêu phụ thuộc vào nước bay hơi nhanh hay chậm, tức là vào độ ẩm không khí. Giới khí tượng đo điều này bằng nhiệt kế bầu ướt: một nhiệt kế bọc vải ướt, đặt cạnh nhiệt kế thường. Chênh lệch giữa hai số đo cho biết không khí còn "khát" nước đến đâu. Đầu con chim chính là một bầu ướt, chỉ là nó không thể lạnh tới đúng nhiệt độ bầu ướt vì luôn nhận thêm nhiệt từ cổ và không khí.

Vì vậy, ở miền Bắc vào những ngày nồm cuối xuân, khi tường nhà đổ mồ hôi, con chim gần như đứng im. Bật quạt cho gió lùa qua đầu chim, hoặc bật máy hút ẩm, nó lại gật nhanh.

Hiệu suất: bé đến mức nào

Định luật thứ hai của nhiệt động lực học đặt trần cho mọi động cơ nhiệt: hiệu suất không vượt quá tỉ số giữa chênh lệch nhiệt độ và nhiệt độ tuyệt đối của nguồn nóng (hiệu suất Carnot). Với chênh lệch 8 độ ở 30 °C (303 K), trần ấy chỉ khoảng 2,6%. Con chim thật còn kém xa con số đó, vì phần lớn nhiệt chỉ chảy qua mà không sinh công. Nó gật được vì chỉ cần nâng vài gam chất lỏng lên vài centimet.

Không phải chuyển động vĩnh cửu

Có ba phép thử để thuyết phục người hoài nghi:

1. Bỏ nước đi. Để cốc cạn, lớp nỉ khô dần, chim gật thưa rồi dừng.
2. Bão hoà không khí. Chụp chim cùng cốc nước trong một hộp nhựa trong suốt đậy kín. Không khí trong hộp dần đầy hơi nước, bay hơi chậm lại, chim dừng sau một thời gian.
3. Đảo vai trò. Không cần nước, chỉ cần làm thân nóng hơn đầu, ví dụ để đèn bàn chiếu vào bầu thân. Chim vẫn gật, vì điều nó cần chỉ là chênh lệch nhiệt độ, không phải bản thân việc "uống".

Cả ba cho cùng một kết luận: tắt nguồn chênh lệch nhiệt thì động cơ dừng. Đó là dấu hiệu của một cỗ máy thật, không phải phép màu.

Lưu ý an toàn: đừng mở, đừng làm vỡ

Chất lỏng trong chim là dichloromethane, một dung môi công nghiệp. Lượng trong một con chim rất ít, và khi thuỷ tinh còn nguyên thì không có gì đáng lo. Nhưng:

• Không mở, không đục, không cố "thay nước màu". Hơi DCM hít vào nhiều gây chóng mặt, đau đầu; cơ thể còn chuyển một phần thành carbon monoxide. Cơ quan Nghiên cứu Ung thư Quốc tế (IARC) xếp DCM vào nhóm 2A, tức "có khả năng gây ung thư ở người".
• Không đặt gần bếp, dưới nắng gắt hay trong xe hơi đóng kín. Nóng lên quá 40 °C, áp suất bên trong vượt áp suất khí quyển và tiếp tục tăng, thuỷ tinh mỏng có thể nứt.
• Để xa tầm tay trẻ nhỏ và thú cưng. Thuỷ tinh mỏng, dễ đổ.
• Nếu lỡ vỡ: mở cửa sổ, cho người và thú ra khỏi phòng vài phút; đeo găng gom mảnh kính, thấm chất lỏng bằng giấy rồi cho tất cả vào túi kín; rửa tay bằng xà phòng. Dính lên da thì rửa nước sạch; có triệu chứng khó chịu thì đi khám.

Tự làm thử: đo "độ khát" của căn phòng bằng con chim

Nếu nhà có sẵn một con chim uống nước, bạn có thể biến nó thành một dụng cụ đo thô.

1. Đặt chim trên bàn phẳng, cốc nước đầy vừa tới mức mỏ chạm khi cúi.
2. Đợi chim chạy đều, dùng đồng hồ đếm số lần gật trong 5 phút.
3. Lặp lại ở các điều kiện: bật quạt nhẹ, tắt quạt; mở cửa sổ ngày hanh khô; đặt trong phòng tắm sau khi tắm nước nóng; thay nước thường bằng nước mát lấy từ tủ lạnh.
4. Nếu có nhiệt ẩm kế, ghi kèm nhiệt độ và độ ẩm, vẽ đồ thị số lần gật theo độ ẩm.

Bạn sẽ thấy quạt và không khí khô làm chim gật nhanh rõ rệt, còn phòng tắm đầy hơi nước làm nó gần như đứng yên. Đây là cách tự tay cảm nhận bay hơi mạnh hay yếu, thứ mà làn da ta vẫn cảm thấy mỗi ngày nhưng hiếm khi đo.

Góc nhìn hôm nay: nguyên lý cũ trong những ý tưởng mới

Làm mát bằng bay hơi là một trong những cách làm mát rẻ nhất loài người biết. Tháp giải nhiệt của nhà máy điện, quạt hơi nước, tấm làm mát trong trại gà, chiếc lu đất đựng nước để ở hiên nhà đều dựa vào cùng một hiện tượng làm đầu con chim lạnh đi. Các nhà nghiên cứu năng lượng thỉnh thoảng vẫn lấy con chim uống nước làm mô hình để thử ý tưởng thu năng lượng từ chênh lệch độ ẩm. Công suất của nó quá nhỏ để chạy thứ gì có ích, nhưng như một bài giảng nhiệt động lực học đặt gọn trên mặt bàn, khó có món đồ nào sánh được.