물 마시는 새 (열기관 장난감)
Drinking bird (a toy heat engine)
물컵 앞에서 끝없이 고개를 숙였다 드는 «물 마시는 새» 는 무엇을 연료 삼아 움직일까요?
무슨 일이 일어났나
새의 머리는 물에 젖은 천으로 싸여 있어, 그 물이 증발하면 열을 빼앗겨 머리가 둘레 공기보다 차가워집니다 — 미국 기상청 표현으로 «증발은 식히는 과정» 입니다.
시뮬레이터에서 25 °C · 습도 50 % 공기 속 젖은 겉(젖은 온도계)은 18.2 °C 로 공기보다 6.8 °C 차갑지만, 습도 90 % 면 23.8 °C 로 차이가 1.2 °C 뿐이고 100 % 면 차이가 없습니다.
머리가 식으면 머리 속 증기 압력이 몸통보다 낮아져 몸통의 액체가 목관을 타고 올라가고, 머리가 무거워지면 새가 고개를 숙입니다 — 머리(찬 쪽)와 몸통(따뜻한 쪽)의 온도 차로 움직이는 작은 열기관입니다.
그래서 습도가 높아 증발이 느려지는 날에는(미국 기상청) 머리와 몸통의 온도 차가 줄어 새가 느려지거나 멈춥니다.
새 몸속에는 낮은 온도에서도 잘 증발하는 액체가 들어 있으며, 그런 액체의 하나인 다이클로로메테인은 1 기압에서 313 K(약 40 °C)에 끓습니다(NIST).
💡 생활 속 예시
- 선풍기 앞에 젖은 수건을 걸어 두면 수건이 방 공기보다 차가워지는 것도, 새의 젖은 머리가 식는 것과 같은 증발 냉각입니다.
- 장마철처럼 습한 날 빨래가 더디 마르듯, 물 마시는 새도 습한 방에서는 고개를 숙이는 사이가 길어집니다.
어떤 부품이 무엇을 하나
- 머리(젖은 천) — 물에 젖어 증발로 식는 찬 쪽입니다.
- 몸통(아래 둥근 통) — 방 공기 온도에 가까운 따뜻한 쪽으로, 끓는점이 낮은 액체가 담겨 있습니다.
- 목관 — 몸통의 액체가 머리 쪽으로 오르내리는 유리관입니다.
- 받침대 축 — 새가 앞뒤로 흔들리는 고정점으로, 무게 중심이 옮겨 가면 새가 기웁니다.
- 물컵 — 고개를 숙일 때마다 부리가 머리 천을 다시 적시게 합니다.
- 젖은 머리의 물이 증발하며 머리가 식습니다.
- 머리 속 증기가 식어 압력이 낮아지고, 몸통 쪽 증기 압력이 액체를 목관 위로 밀어 올립니다.
- 액체가 머리로 올라가 무게 중심이 앞으로 옮겨 가면, 새가 고개를 숙여 부리를 물에 담급니다.
- 기울어진 사이 목관 아래 끝이 액체 위로 드러나 머리와 몸통의 증기가 섞이며 압력이 같아지고, 액체가 몸통으로 흘러내립니다.
- 무게 중심이 돌아와 새가 다시 서고, 젖은 머리에서 증발이 이어져 같은 움직임이 되풀이됩니다.
확인된 값
교육과정에서는
- 한국 2022 · 역학과 에너지 · 열과 에너지 [12역학02-04]
- 일본 · 高等学校 物理 (1) 様々な運動
출처
이어서 보기
같은 단원 · 열역학 법칙
- 개념누르면 뜨거워지는 기체 (단열 과정)
- 개념볼츠만 엔트로피 (S = k ln W)
- 개념카르노 기관과 열효율
- 개념엔트로피 (열역학 제2 법칙)
- 개념열역학 제1 법칙 (줄의 실험)
- 개념열을 일로 바꾸는 기계 (열기관)
- 개념열을 거꾸로 옮기는 기계 (냉동기와 열펌프)
- 왜? 질문냉장고 문을 열어 두면 방이 시원해질까?
- 왜? 질문자전거 펌프로 바람을 넣으면 왜 펌프가 뜨거워질까?
- 왜? 질문자동차 엔진은 왜 연료 에너지를 모두 움직이는 데 쓰지 못할까?
- 왜? 질문열은 왜 늘 뜨거운 쪽에서 찬 쪽으로만 흐를까?
- 왜? 질문영원히 움직이는 기계(영구 기관)는 왜 만들 수 없을까?
- 왜? 질문커피에 섞인 우유는 왜 저절로 다시 나뉘지 않을까?
- 작동 원리공기 액화 장치
- 작동 원리히트 펌프 난방
- 작동 원리스털링 엔진
- 실험줄의 물갈퀴 실험 (열의 일당량)