Pájaro bebedor
Un pájaro de vidrio que se inclina una y otra vez a beber de un vaso de agua, movido por la evaporación en su cabeza.
Qué es
Un pájaro de vidrio con dos bulbos unidos por un tubo: el de abajo es el cuerpo y el de arriba, la cabeza. En el cuerpo hay un líquido coloreado, aquí azul, muy volátil, y la cabeza está forrada de fieltro, con un pico también de fieltro y un sombrero de copa.
A media altura, el tubo se apoya en unas patas sobre las que puede cabecear. Dentro no hay aire: solo el líquido y su vapor (Güémez, 2011).
Se pone junto a un vaso de agua y se le moja la cabeza. Al poco empieza a inclinarse, mete el pico en el agua, se endereza y vuelve a empezar, una y otra vez, mientras haya agua en el vaso.
Cómo funciona
1. La cabeza mojada se enfría
Si el aire no está saturado de humedad, el agua del fieltro se evapora. Para evaporarse necesita energía y la toma de la cabeza, que se enfría un poco respecto al aire de la habitación: alrededor de medio grado (Güémez, 2011).
El cuerpo, en cambio, sigue a la temperatura ambiente.
2. Un poco más frío, bastante menos presión
La presión de vapor del líquido interior crece muy deprisa con la temperatura, porque el líquido está cerca de hervir. Por eso, aunque la cabeza solo esté unas décimas de grado más fría, el vapor de la cabeza empuja menos que el del cuerpo.
El tubo llega casi al fondo del cuerpo. El vapor del cuerpo, con más presión, empuja el líquido hacia arriba por el tubo (Güémez, 2011).
3. Se vuelca, bebe y se endereza
Con el líquido abajo, el pájaro es un tentetieso: su centro de masas está por debajo del punto de apoyo y su equilibrio es estable. A medida que el líquido sube, el centro de masas sube también, hasta que pasa por encima del apoyo: el equilibrio se vuelve inestable y el pájaro cae hacia delante (Güémez, 2011).
Ya casi horizontal, el pico se moja y el extremo del tubo queda fuera del líquido del cuerpo. Las presiones de la cabeza y del cuerpo se igualan, el líquido vuelve al cuerpo y el pájaro se endereza.
4. Una máquina térmica que funciona con aire seco
El pájaro es una máquina térmica: convierte en movimiento una parte del calor que pasa del aire de la habitación, a través del cuerpo, a la cabeza que se enfría.
Lo que de verdad lo mueve es que el aire no esté saturado: el vapor de agua del aire tiene un potencial químico menor que el agua líquida del fieltro, y el agua pasa de uno a otro (Güémez, 2008; Güémez, Fiolhais y Fiolhais, 2010). Con aire seco funciona muy bien; con aire muy húmedo, mal o nada (Güémez, Valiente, Fiolhais y Fiolhais, 2003).
Pruébalo tú
- Mide su ritmo. Cronometra el tiempo que pasa entre 11 sorbos seguidos y divídelo entre 10: es el periodo del pájaro (Güémez, 2011). Repítelo otro día, con más o menos humedad.
- Ponle viento. Sujeta bien el pájaro y ponle un ventilador a un metro. El agua se evapora más deprisa y el pájaro bebe más a menudo (Güémez, 2011).
- Tápalo. Cúbrelo, con vaso incluido, con una caja o una urna transparente. El aire de dentro se satura de humedad y, en pocos minutos, el pájaro se para. Destápalo y vuelve a moverse (Güémez, 2011).
- Caliéntale el cuerpo. Con el pájaro seco, rodea su cuerpo con la mano: el líquido sube por el tubo, como en un hervidor de mano (Güémez, 2011).
Para saber más
Cuánta diferencia de presión hace falta
Para sostener una columna de líquido de altura $h$ entre el cuerpo y la cabeza hace falta la diferencia de presión
Con cloruro de metileno ($\rho = 1330\ \mathrm{kg/m^3}$) y la altura de un pájaro pequeño, $h = 7\ \mathrm{cm}$ (Güémez, 2008):
- $\Delta P = 1330 \times 9{,}81 \times 0{,}07 = 913\ \mathrm{Pa}$.
La presión de vapor y la ecuación de Clausius-Clapeyron
La presión de vapor $P$ de un líquido cambia con la temperatura según
con $L$ el calor de vaporización por mol y $R = 8{,}314\ \mathrm{J/(mol\,K)}$. Para el cloruro de metileno a $22\ \mathrm{^\circ C}$ ($T = 295{,}15\ \mathrm{K}$, $L = 28{,}8\ \mathrm{kJ/mol}$):
- presión de vapor: $P \approx 52\ \mathrm{kPa}$;
- $\mathrm{d}P/\mathrm{d}T \approx 2{,}1\ \mathrm{kPa/K}$;
- enfriamiento necesario: $\Delta T = 913 / 2078 \approx 0{,}44\ \mathrm{K}$.
Basta enfriar la cabeza menos de medio grado, como se observa (Güémez, 2011). Caso límite: si el líquido fuera agua ($P = 2{,}6\ \mathrm{kPa}$, $L = 44\ \mathrm{kJ/mol}$), harían falta unos $4\ \mathrm{K}$ para la misma columna, y el pájaro no funcionaría.
El rendimiento máximo
Como toda máquina térmica, el pájaro no puede superar el rendimiento de Carnot entre su foco caliente, el cuerpo a $T$, y su foco frío, la cabeza a $T - \Delta T$:
Casi toda la energía que absorbe se va en evaporar agua; solo una parte diminuta se convierte en movimiento. Si el aire está saturado, $\Delta T \to 0$ y el rendimiento también: el pájaro se para.
Para leer más
- J. Güémez, «La física del pájaro bebedor», Revista Eureka sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias 8 (número extraordinario), 399–403 (2011). Artículo en abierto.
- J. Güémez, C. Fiolhais y M. Fiolhais, «Juguetes en clases y demostraciones de Física», Revista Iberoamericana de Física 6(1), 45–56 (2010). PDF en la Universidad de Coimbra.
- J. Güémez, R. Valiente, C. Fiolhais y M. Fiolhais, «Experiments with the drinking bird», American Journal of Physics 71, 1257–1263 (2003). DOI.
- J. Güémez, Física de juguetes y dispositivos sencillos. Pájaro bebedor, Departamento de Física Aplicada, Universidad de Cantabria (2008). Notas de clase.
Conceptos clave
- evaporación
- humedad relativa
- presión de vapor
- ecuación de Clausius-Clapeyron
- equilibrio estable e inestable
- máquina térmica
- rendimiento de Carnot
- potencial químico
Doctor en Física y Profesor Titular de Termodinámica Grado en Física, en la Facultad de Ciencias de la Universidad de Cantabria
Datos y contacto
Facultad de Ciencias. Avda. de los Castros, 48. 39005 Santander | Cantabria
DEPARTAMENTO DE FÍSICA APLICADA