jueves, 12 de enero de 2012

El pájaro sediento


El pájaro sediento

Este ingenioso dispositivo japonés, se basa en el principio de funcionamiento de las máquinas térmicas. Está constituido por dos esferas huecas de vidrio interconectadas mediante un tubo largo, también de vidrio; este tubo penetra la esfera inferior y casi llega a su fondo; la esfera de la cabeza y el pico se encuentran forrados con fieltro absorbente; el tubo está montado sobre un eje metálico deslizante que le permite descansar sobre un pedestal con dos columnas, como se muestra en la figura adjunta. En la esfera interior se aprecia cierta cantidad de un líquido rojo (teñido) conocido como clorometano (cloruro de metileno-CH2Cl2). Como este compuesto químico es muy volátil a temperatura ambiente, se evapora y llena el resto del espacio de la esfera inferior (cuerpo), el tubo (cuello) y la superior (cabeza); así que, en su interior el vapor de clorometano coexiste con el clorometano líquido. Como se puede observar, existen dos cavidades con vapor separadas por el líquido; ambas cavidades (cabeza y cuerpo) con vapor se mantienen separadas por la misma sustancia en estado líquido contenida en la esfera inferior (cuerpo) y el tubo (cuello). Durante el llenado con el líquido volátil se extrajo por completo el aire contenido en el recipiente para garantizar la pureza de la sustancia utilizada.

    Varios autores han investigado el funcionamiento de este dispositivo desde que fue patentado por Miles Sullivan en 1945. En particular, J. Guemez en conjunto con sus colaboradores (2003), desarrollaron un modelo que explica su balanceo periódico.

     En principio, este dispositivo es una máquina térmica que requiere de un foco caliente (atmósfera) a cierta temperatura, para que le suministre energía en forma de calor a una sustancia (clorometano) y ésta, después lo ceda a otro foco frío (agua) de menor temperatura. Para arrancar esta máquina térmica y lograr que se mantenga funcionando, se requieren dos sustancias (focos térmicos) externas con diferentes temperaturas:

 a) el aire (oxígeno, nitrógeno y vapor de agua) atmosférico a temperatura ambiente y,
 b) el agua (o alcohol) en constante evaporación a menor temperatura que la ambiental.

     Para su funcionamiento, la atmósfera suministra de su reservorio de energía interna, la energía requerida mediante la transferencia de calor al clorometano de la esfera inferior, siempre y cuando exista cierta diferencia de temperatura. El agua de la cabeza, cuando se evapora y enfría, extrae parte de esa cantidad de calor del clorometano y lo cede de nuevo a la atmósfera; la diferencia entre la cantidad de calor cedido al sistema y la cantidad de calor liberado por el sistema se transforma en trabajo mecánico.


     

   El pájaro sediento funciona de manera cíclica a medida que se producen los siguientes procesos mecánico-termodinámicos:

a)  Estado inicial de equilibrio térmico y mecánico. En equilibrio térmico, cuando el sistema completo (recipiente más clorometano) tiene la misma temperatura, la presión del vapor en la cabeza más la presión hidrostática de la columna del líquido, iguala la presión ejercida por el vapor en la esfera inferior del cuerpo. El vapor de la cavidad superior (cabeza) se mantiene separado de la inferior (cuerpo) por la misma sustancia en estado líquido. Bajo estas condiciones, el pájaro adopta la posición vertical, porque el centro de masa del sistema se ha ajustado de modo que quede por debajo del eje de suspensión. Así que, el pájaro se encuentra también en equilibrio mecánico estable y bajo la acción instantánea de un torque se comporta como un péndulo compuesto que oscila alrededor del eje de suspensión con cierta frecuencia; por supuesto, por efecto de la fricción, las oscilaciones se amortiguan poco a poco y se detiene.

b)  Arranque. Esto se logra colocando cerca un vaso con agua (o alcohol) a temperatura ambiente, cuyo borde esté al nivel del eje para que el pájaro pueda sumergir su pico y “beber”. A continuación se inclina el pájaro hasta que su pico y el resto de la cabeza se moje, y se suelta; momentáneamente adopta la posición de equilibrio mecánico anterior.

c)  Enfriamiento. Al enfriarse la cabeza, por efecto de la evaporación del agua (alcohol), disminuye la presión del vapor de clorometano en esta esfera. Aunque la disminución de la temperatura es muy pequeña (~1 C), la presión aumenta bastante; puesto que, la presión de vapor depende exponencialmente de la temperatura como establece la ecuación de Clapeyron-Clausius, cuando el líquido está cerca de la temperatura de ebullición. Como la presión del vapor en la cavidad inferior es mayor que la presión de vapor en la cavidad superior, el clorometano líquido asciende por el tubo hasta la esfera superior.

d)  Variación del equilibrio mecánico. A medida que la columna de líquido asciende, el centro de masa del sistema se corre por encima del eje de su suspensión, actúa el torque de su propio peso y el dispositivo se inclina hacia el vaso de agua donde introduce el pico de nuevo y se moja por sí mismo.

e)   Restablecimiento del equilibrio. En posición casi horizontal, el líquido se redistribuye por el tubo, abre un espacio y permite que los vapores de las dos cavidades se comuniquen y mezclen; a medida que esto ocurre, el líquido escurre por el tubo inclinado y regresa a la esfera inferior, desplazando de nuevo el centro de masa a su posición original, restableciéndose la posición vertical. Ahora el líquido y su vapor están un poco más frío.

f)    Calentamiento. Como el líquido y su vapor en la esfera inferior se han enfriado un poco, se propaga un flujo de calor desde el aire que rodea la superficie externa de la esfera hacia su interior y comienza a calentarlos. En consecuencia, se incrementa la evaporación y se restablecen las condiciones iniciales.

g)   Reinicio. Luego, el ciclo se repite y se produce un movimiento de balanceo periódico en el pájaro hasta que el nivel de agua en el vaso sea inferior al nivel alcanzado por el pico durante su inmersión, lo que incide en que se seque su cabeza.

      Como se aprecia, ésta máquina térmica, como cualquier otra, requiere de dos focos térmicos a diferentes temperaturas, para poder funcionar y tiene su propia eficiencia. En la práctica una forma de aumentar su eficiencia es incrementando la diferencia de temperatura entre sus focos térmicos. Esto se puede lograr utilizando un líquido más volátil  que el agua, como el alcohol; el alcohol requiere de menos cantidad de calor para evaporarse a temperatura ambiente. El alcohol, al igual que el agua, para evaporarse requiere de cierta cantidad de calor el cual toma del aire y de la cabeza del pájaro. Es por esto que la cabeza disminuye su temperatura aún más.

     Gamow en su famoso libro Biografía de la Física, da cuenta de una posible aplicación práctica de tal máquina térmica: el bombeo de agua de mar desde su nivel hasta cierta altura.  En tal sentido, él considera que cómo la eficiencia de una máquina térmica  es (T2 –T1)/T1, donde T1 es la temperatura del cuerpo y T2 la de la cabeza, y puesto que en promedio la temperatura del aire en el mar (igual T1) es de alrededor de 300 oK,  y que por efecto de la evaporación del agua en la cabeza su temperatura baja en unos 2 oK, la eficiencia debe ser del alrededor del 1%. 

     A primera vista, se podría pensar que el pájaro bebedor es un móvil perpetuo: aquel hipotético dispositivo que sacaría energía de la nada para funcionar indefinidamente. Sin embargo no es así, nuestra experiencia diaria con los sistemas termodinámicos nos dice que para poner a funcionar una máquina térmica se requiere de cierto suministro de energía. La física ha logrado establecer la leyes de la Termodinámica, según las cuales, para que una máquina funcione se requiere de dos focos térmicos y que exista cierto flujo de calor de uno al otro. Pues bien, el flujo de calor se produce desde la esfera corporal a la esfera de la cabeza a través del tubo conector, como se ha mencionado arriba.

     Atención. El cloruro de metileno que contiene el pájaro sediento, es un líquido incoloro muy volátil a temperatura ambiente. Por su volatilidad se requiere que este dispositivo sea manipulado con sumo cuidado sólo por adultos. Los niños necesitan de la asistencia permanente de un adulto para ponerlo a funcionar. Si se quiebra, trate de no inhalar sus vapores porque  pruebas de laboratorios han demostrado su potencialidad cancerígena. Evite exponer su piel al contacto con el líquido ya que al evaporarse con rapidez se alcanzan temperaturas bajas que podrían lesionar la piel.  En algunos países europeos está prohibido su uso.

      Arte y ciencia se vinculan apropiadamente para el disfrute sensorial. A partir del modelo pequeño de Sullivan, el artista estadounidense Daniel Reynolds desarrolló una galería con 15 pájaros sedientos de 1,9 metros de altura, como se muestra en la siguiente figura.


Abajo se muestra un interesante video que relaciona el movimiento del pájaro sediento con la música.



Actividades pedagógicas sugeridas:

1.   Observe detenidamente su funcionamiento, haga una lista de todos los fenómenos involucrados y descríbalos en base a las leyes de la física.
2.    Busque información técnica de las propiedades del agua y clorometano: densidad y punto de ebullición. Compare sus valores.
3.     Ponga a funcionar el pájaro con agua a temperatura ambiente y mida su periodo, es decir el tiempo que tarda en hacer una oscilación.  Repita con alcohol etílico puro (100%) y a diferentes concentraciones. Describa cómo afecta la concentración el periodo de balanceo.  
4.     Determine cómo afecta la humedad relativa del aire al periodo.
5.     Irradie con un bombillo la esfera corporal y explique lo que observa.


Bibliografía

1.     Guémez J. et  Al. Experiments with the drinking birdAm. J. Phys., Vol. 71, No. 12, December (2003). Disponible en: http://es.scribd.com/doc/32148756/drinking-Bird        
2.      Guémez J. Técnicas Experimentales II. Laboratorio de Termodinámica. Demostraciones. El pájaro bebedor (2003)
3.      Gamow, G. Biografía de la Física, Salvat Editores (1971) 

Se compra en:


Sobre la galería de Reynolds:


Actividades: