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물 먹는 새

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목차

1. 개요

물 먹는 새는 관으로 연결된 두 개의 유리 구체로 구성된 장난감으로, 머리 부분의 펠트에 물이 증발하면서 발생하는 열 에너지 차이를 이용하여 작동한다. 이 장치는 열역학적 주기를 통해 작동하며, 부리가 물에 닿으면 끄덕이는 움직임을 반복한다. 물 먹는 새는 과학 교육 자료로 활용되며, 다양한 물리 및 화학 법칙을 보여준다. 1760년대부터 유사한 형태의 장치가 존재했으며, 20세기 중반에 현재의 형태로 특허를 받았다. 또한, 영화, 애니메이션, 연극 등 다양한 대중문화 작품에 등장하기도 한다.

2. 구조

물 먹는 새는 관으로 연결된 두 개의 유리 구로 구성되며, 다이클로로메테인과 같은 휘발성이 낮은 액체를 포함하고 밀봉되어 있다. 관은 아래쪽 구체에 거의 끝까지 닿고 위쪽 구체에 연결되지만, 내부로 들어가지 않는다. 새 내부 공간에는 액체가 들어있으며, 시인성을 위해 일반적으로 색상이 첨가된다. 제조 과정에서 장치 내부의 공기가 제거되므로, 몸체 내부는 액체에서 증발된 증기로 채워진다. 위쪽 구체에는 "부리"가 부착되어 있으며, 머리와 함께 펠트와 같은 재질로 덮여 있다. 새는 종이 눈, 플라스틱 윗모자, 꼬리 깃털 등으로 장식되어 있으며, 몸체에 부착된 가로대 위에서 회전한다.

2. 1. 몸체

물 먹는 새는 관으로 연결된 두 개의 구로 구성되어 있는데, 더 큰 구는 몸통, 더 작은 구는 머리 역할을 한다. 이 둘을 잇는 관은 새의 목이 된다. 몸통과 머리에는 다이클로로메테인과 같은 휘발성 액체가 채워져 있으며, 이 액체의 이동을 통해 새가 작동한다. 새는 평형을 이루는 지점에 연결된 다리를 통해 앞뒤로 움직일 수 있도록 설계되었다.[28]

초기 제작된 물 먹는 새는 장난감임에도 불구하고 내부 액체가 가연성이었고, 유리로 만들어진 몸체가 깨질 경우 사용자에게 위험할 수 있었다. 다이클로로메테인은 흡입 시 폐 손상을 유발할 수 있다.[29] 이후 제작된 제품들은 이러한 위험을 줄이기 위해 불연성 물질을 사용하였다.[30]

구성 요소설명
몸통 (더 큰 구)휘발성 액체를 담고 있으며, 새의 몸체 역할을 한다.
머리 (더 작은 구)휘발성 액체를 담고 있으며, 부리와 펠트 등으로 장식된다.
목 (관)몸통과 머리를 연결하며, 액체의 이동 통로 역할을 한다.
다리평형을 이루는 지점에 연결되어 새가 앞뒤로 움직이게 한다.


2. 2. 머리

물 먹는 새의 머리 부분은 위쪽 구체에 부리가 달려 있고 펠트와 같은 다공성 직물로 감싸여 있다.[28] 이 위에 눈, 모자, 깃털 같은 장식을 추가하여 새의 모습을 더욱 실감나게 표현한다. 내부 액체의 이동 모습을 감추기 위해 목까지 펠트로 감싸기도 한다.

초기에 제작된 물 먹는 새는 장난감임에도 불구하고 내부 액체가 가연성이었고, 몸통이 유리로 만들어져 깨질 경우 사용자에게 위험할 수 있었다. 특히 다이클로로메테인은 호흡기로 흡입하면 폐 손상을 유발할 수 있다.[29] 이후 제작된 제품들은 이러한 위험을 줄이기 위해 불연성 물질을 사용하였다.[30]

2. 3. 안전 문제

초기에 제작된 물 먹는 새는 장난감임에도 불구하고 내부 액체가 가연성이었고, 몸통이 유리로 만들어져 깨질 경우 사용자에게 위험할 수 있었다. 다이클로로메테인은 호흡기로 흡입하면 폐를 손상시킬 수 있다.[29] 이후 제작된 제품들은 이러한 위험을 줄이기 위해 불연성 물질을 사용하였다.[30]

현대 제품은 난연성 다이클로로메테인을 사용하지만, 이 물질은 피부나 폐에 자극을 줄 수 있으며, 장기간 접촉하거나 흡입하면 간 독성을 유발하고, 발암성 가능성도 있다.[27] 따라서 물 먹는 새가 파손되지 않도록 주의해야 하며, 특히 어린이와 동물 근처에 놓을 때는 더욱 조심해야 한다.

3. 작동 원리

물 먹는 새는 머리와 몸통 사이의 온도 차이와 압력 변화를 이용하여 작동하는 열기관이다.

물 먹는 새의 작동 모습
물 먹는 새는 부리에 물을 묻히면 스스로 끄덕이며 물을 먹는 듯한 동작을 반복한다.

물 먹는 새는 디클로로메탄이라는 끓는점이 낮은 액체를 사용하며, 이 액체의 증발과 응축 과정에서 발생하는 압력 차이가 새의 움직임을 만들어낸다. 낮은 끓는점을 가진 디클로로메탄(표준 압력 ''p''o = 105 Pa에서 – 물 먹는 새가 먼저 진공 처리되고 부분적으로 채워져 밀봉되므로 물 먹는 새의 압력과 끓는점은 다를 것이다)은 열기관이 저온에서 운동을 추출할 수 있게 해준다.[7]

물 먹는 새의 작동에는 몇 가지 물리 법칙이 적용된다.

  • 보일-샤를의 법칙: 부피가 일정한 기체에서 온도와 압력은 비례한다.
  • 이상 기체 상태 방정식: 부피가 일정한 기체에서 물질량과 압력은 비례한다.
  • 맥스웰-볼츠만 분포: 특정 부피와 온도에서 서로 다른 에너지 준위의 분자가 존재하며, 이 때문에 일정한 온도에서 여러 상(고체/액체/기체)의 상태로 존재할 수 있다.
  • 증발열: 물질이 증발할 때 흡수하는 열이다.
  • 토크와 무게중심
  • 펠트의 모세관 현상
  • 습구 온도: 머리와 몸체의 온도 차이는 공기의 상대 습도에 따라 달라진다.[8][9]


물 대신 물-에탄올 혼합물을 사용하면 증발 속도의 차이를 시연할 수 있다.[10]

습구와 건구 온도의 차이를 고려하여 주어진 양의 "마신" 물로부터 생성될 수 있는 최대 일량을 계산하는 수학적 표현식을 개발할 수 있다. 이러한 분석은 카르노 열기관 효율의 정의와 건습도 개념을 기반으로 한다.[11]

물 먹는 새는 또한 액체 물의 엔트로피와 공기 중에 분산된 수증기의 엔트로피의 차이, 즉 순수한 물의 증발 엔트로피와 공기 중 수증기의 희석 엔트로피의 합에 의해 구동되는 엔트로피 엔진으로 간주할 수도 있다.

3. 1. 열역학적 순환 과정

"물 먹는 새"는 머리와 몸통 사이의 열 에너지 차이로 작동하는 열기관이다. 다른 모든 열기관과 마찬가지로 열역학 주기를 따르며, 머리가 물에 젖는 것에서 시작하여 다음과 같은 과정을 거친다.[31]

# 펠트가 빨아들인 물이 증발한다.

# 물이 증발하면서 머리 부분의 온도가 내려간다. (기화열)

# 머리 온도가 내려가면서 내부에 있는 다이클로로메테인 기체의 일부가 응결한다.

# 온도 감소와 응결로 인해 머리의 압력이 내려간다. (이상 기체 법칙)

# 상대적으로 높은 증기 압력을 가진 몸통 쪽 액체가 목을 따라 올라간다.

# 올라온 액체 때문에 "물 먹는 새"의 무게 중심이 바뀌어 머리를 숙이게 된다.

# 머리를 숙이면 부리가 물에 닿아 펠트가 다시 젖는다.

# 물에 닿은 머리가 주위 환경과 같은 온도가 되면 압력이 회복되고, 올라왔던 액체가 다시 몸통으로 이동한다.

# 무게 중심이 다시 바뀌어 머리를 든다.

# 머리 쪽에서는 물의 증발이 다시 일어나고, 몸통으로 흘러 내려간 액체는 주위 공기에 의해 온도를 회복하므로 다시 압력 차이가 발생한다.

# 부리에 닿을 물이 없을 때까지 위 과정이 반복된다.

"물 먹는 새" 앞에 물이 담긴 컵이 있으면 이 과정이 계속 반복된다. 컵이 없더라도 부리가 물에 젖기만 하면 새는 끄덕이며 움직인다. 머리 쪽의 열을 빼앗거나 몸통 쪽에 열을 가해도 작동한다. "물 먹는 새"는 영구 기관이 아니며, 지속적인 작동을 위해서는 열 에너지 전달이 필요하다.[32]

3. 2. 영구 기관 여부

"물 먹는 새"는 머리와 몸통 사이의 온도 차이를 이용하여 작동하는 열기관이지만, 지속적인 작동을 위해서는 외부에서 열 에너지를 지속적으로 공급받아야 한다. 따라서 "물 먹는 새"는 영구 기관이 아니다.[32]

물이 증발하면서 머리 부분의 열을 빼앗아 온도를 낮추고, 상대적으로 따뜻한 몸통은 주변 공기로부터 열을 흡수한다. 이러한 온도 차이가 유지되는 한 "물 먹는 새"는 계속 작동한다.

4. 관련 과학 원리

"물 먹는 새"의 작동에는 열역학, 유체역학, 기체 법칙 등 다양한 과학적 원리가 적용된다.

"물먹는 새의 공학"(The Engineering of the Drinking Bird) 비디오


"물 먹는 새"는 기본적인 화학 및 물리학 교육에 활용되고 있다.

4. 1. 열역학 및 유체역학

"물 먹는 새"의 동작에는 여러 가지 물리 법칙이 관여하며, 이는 과학 수업 교재로도 활용된다. 관련 물리, 화학 법칙은 다음과 같다.

  • 다이클로로메테인은 끓는점이 낮은 액체이다. (기압 101.3 kPa 조건에서 40°C[33]) 따라서 물의 증발과 같은 작은 열 변화에도 머리를 채운 기체의 압력이 민감하게 변화한다.
  • 이상 기체 법칙에 따라 온도와 압력이 상호 작용한다.
  • 맥스웰-볼츠만 분포에 따라 하나의 물질이 같은 온도에서도 액체와 기체와 같이 서로 다른 상을 가질 수 있다.
  • 기화열(응결열과 같다)은 열 에너지를 이동시키고 물체의 온도를 변화시킨다.
  • "물 먹는 새"의 작동에는 돌림힘과 무게 중심이 관여한다.
  • 부리를 감싼 펠트가 물을 빨아들이는 것은 모세관 현상 때문이다.
  • 펠트를 적신 물이 증발하여 온도 변화가 오는 것은 습구 온도와 관련이 있다.


"물 먹는 새"는 펠트를 적신 물의 증발을 동력원으로 하는 일종의 카르노 기관으로 생각될 수 있다.[34] 물의 증발이 얼마나 큰 에너지를 낼 수 있는 지는 그 날의 습도에 따른 포화 수증기압에 의해 결정된다.

물 먹는 새 작동 관련 물리 법칙
법칙설명
낮은 끓는점다이클로로메테인은 끓는점이 낮아 (39.6°C) 작은 온도 변화에도 상태 변화가 일어난다.
기체 결합 법칙일정 부피에서 기체의 온도와 압력은 비례한다.
이상 기체 법칙일정 부피에서 기체 입자 수와 압력은 비례한다.
맥스웰-볼츠만 분포같은 온도에서도 물질은 여러 상(고체/액체/기체)으로 존재할 수 있다.
기화 엔탈피물질이 상태 변화 시 열을 흡수 또는 방출한다.
돌림힘 및 무게 중심액체의 이동에 따른 무게 중심 변화가 새의 움직임을 유발한다.
모세관 현상펠트가 물을 부리에서 머리까지 끌어올린다.
습구 온도머리와 몸체의 온도 차이는 공기의 상대 습도에 따라 달라진다.



물 먹는 새는 또한 액체 물의 엔트로피와 공기 중에 분산된 수증기의 엔트로피의 차이, 즉 순수한 물의 증발 엔트로피와 공기 중 수증기의 희석 엔트로피의 합에 의해 구동되는 엔트로피 엔진으로 간주할 수 있다. 물의 증발은 환경으로부터 열에너지 또는 양의 엔탈피 흐름의 입력을 필요로 하는 흡열 과정이다. 자발적인 과정은 깁스 자유 에너지의 음의 변화를 필요로 하므로, 양의 엔탈피는 큰 엔트로피 증가에 의해 극복되어야 한다.

4. 2. 기체 법칙

"물 먹는 새"의 동작에는 이상 기체 법칙이 관여한다. 이 법칙에 따르면 온도와 압력이 상호 작용한다.[33] 보일-샤를의 법칙에 따르면, 부피가 일정한 기체에서 온도와 압력은 비례한다. 이상 기체 상태 방정식에 따르면, 부피가 일정한 기체에서 물질량과 압력은 비례한다.[11]

맥스웰-볼츠만 분포에 따르면, 특정 부피와 온도에서는 서로 다른 에너지 준위의 분자가 존재하며, 이 때문에 일정한 온도에서 여러 상(고체/액체/기체)의 상태로 존재할 수 있다.[33][11]

4. 3. 습도와 효율

펠트를 적신 물이 증발하면서 나타나는 온도 변화는 습구 온도와 관련이 있다.[34] 물 먹는 새는 펠트를 적신 물의 증발을 동력원으로 하는 일종의 카르노 기관으로 볼 수 있다. 물의 증발이 얼마나 큰 에너지를 낼 수 있는지는 그 날의 습도에 따른 포화 수증기압에 의해 결정된다.[34]

습구 온도는 머리와 몸체의 온도 차이가 공기의 상대 습도에 따라 달라지는 것을 보여준다.[8][9] 새의 작동은 상대 습도의 영향을 받는다.[8][9] 물 대신 물-에탄올 혼합물을 사용하면 증발 속도의 차이를 시연할 수 있다.[10]

습구와 건구 온도의 차이를 고려하여, 주어진 양의 "마신" 물로부터 생성될 수 있는 최대 일량을 계산할 수 있다. 이러한 분석은 카르노 열기관 효율의 정의와 건습도 개념을 기반으로 한다.[11]

5. 역사

물 먹는 새는 오랜 역사를 가지고 있으며, 여러 발명가와 과학자들에 의해 개선되어 왔다. 1760년대 독일에서 처음 개발된 이후, 18세기에는 벤자민 프랭클린, 19세기에는 엔리코 베르나르디 등 여러 과학자들이 이 장치의 발전에 기여했다.[12][13][14] 19세기 후반에는 유사한 원리를 이용한 다양한 특허들이 출원되었다.[15][16]

20세기 초, 중국에서 "탐욕스러운 새"라는 이름으로 물 먹는 새 장난감이 인기를 끌었으며, 알버트 아인슈타인도 이 장난감에 관심을 보였다.[1][17] 이후 1940년대에 아서 M. 힐러리와 마일스 V. 설리반 등에 의해 현대적인 형태의 물 먹는 새가 개발되었다.

5. 1. 초기 모델

1760년대(또는 그 이전)에 독일 장인들이 "맥박 망치"(Pulshammerde)를 발명했다.[12] 1767년 벤자민 프랭클린은 독일을 방문하여 맥박 망치를 보고 1768년에 이를 개선했다.[12] 프랭클린의 맥박 망치는 U자형 튜브로 연결된 두 개의 유리 구슬로 구성되었으며, 구슬 중 하나는 증기와 평형을 이루는 물로 부분적으로 채워져 있었다. 부분적으로 채워진 구슬을 손에 들면 물이 빈 구슬로 흘러 들어갔다.[13] 1872년, 이탈리아의 물리학자이자 엔지니어인 엔리코 베르나르디는 프랭클린 튜브 세 개를 결합하여 물 먹는 새와 유사한 방식으로 증발에 의해 작동하는 간단한 열 엔진을 만들었다.[14]

1881년 이스라엘 L. 랜드리스는 유사한 진동 모터에 대한 특허를 받았다.[15] 1년 후(1882년), 이스케 형제는 유사한 모터에 대한 특허를 받았다.[16] 이 엔진에서는 물 먹는 새와 달리 하부 탱크가 가열되고 상부 탱크는 공랭식이었다. 그 외에는 동일한 원리를 사용했다. 이스케 형제는 당시 민토 휠로 알려진 관련 엔진에 대한 다양한 특허를 받았다.

5. 2. 현대 모델

1910년대~1930년대에 중국에서 제작된 물 먹는 새 장난감은 야코프 페렐만의 ''재미있는 물리학''에서 "탐욕스러운 새"로 묘사되었다.[1] 알버트 아인슈타인과 그의 아내 엘사가 1922년 상하이에 도착했을 때, 중국의 "탐욕스러운 새" 장난감에 매료되었다고 전해진다.[17] 도호쿠 대학의 장난감 교수인 사카이 다카오도 이 중국 장난감을 소개했다.[18]

1945년 아서 M. 힐러리는 미국 특허를 받으면서 작동 유체로 아세톤 사용을 제안했다. 1946년에는 벨 연구소의 박사 학위 발명 과학자인 마일스 V. 설리반이 미국에서 특허를 받았다.[21][22] 1947년 로버트 T. 플레이트는 아서 M. 힐러리의 특허를 인용한 미국 디자인 특허를 받았다.[23]

6. 대중문화 속 물 먹는 새

물 먹는 새는 여러 대중문화 작품에서 등장하며, 때로는 이야기 전개에 중요한 요소로 사용되기도 한다.[24][25]

6. 1. 영화 및 애니메이션

물 먹는 새는 1951년 메리 멜로디 만화 ''퍼티 탯 트러블''과 1968년 SF 스릴러 영화 ''더 파워''에서 플롯 요소로 등장했다.[24] 애니메이션 시트콤 ''심슨 가족'' 시즌 7 에피소드 7 "킹 사이즈 호머"에서 호머는 물 먹는 새를 사용하여 핵 통제 컴퓨터의 Y 키를 누르다가 결국 핵 융해를 일으켰다. 이 새는 두 시즌 후 "다스 버스" 에피소드에서 다시 등장한다.

6. 2. 연극

오스트레일리아의 현대 극작가 존 로메릴의 연극 ''플로팅 월드''에서 물 먹는 새는 등장인물 레스의 광기가 진행되는 것을 상징하는 소품이다.[25]

6. 3. 기타

코미디 시리즈 《체포된 사람들》 S4E11에서, 망상에 사로잡힌 등장인물은 물 먹는 새를 통해 신의 목소리를 듣는다고 믿는다.[24]

참조

[1] 서적 Physics for Entertainment https://archive.org/[...] 1972
[2] 웹사이트 Insatiable Birdie http://www.physicsce[...] American Physical Society, with permission of the Hyperion(Reprint edition)
[3] 간행물 Exhibit-Based Energy Teaching at the Exploratorium http://www.osti.gov/[...] US Department of Energy Office of Scientific and Technical Information 2010-03-03
[4] 웹사이트 Drinking Birds and Hand Boilers – Why these Retro Souvenirs are Still So Popular http://www.souvenirb[...] 2022-01-30
[5] 웹사이트 How Does a Dippy Bird Work? https://science.hows[...] 2001-04-05
[6] 웹사이트 How the Drinking Bird Science Toy Works https://www.thoughtc[...]
[7] 학술지 Experiments with the drinking bird http://nautilus.fis.[...] 2012-02-19
[8] 웹사이트 The Dipping Happy Bird https://physics-astr[...] 2021-08-01
[9] 학술지 Experiments with the drinking bird https://www.research[...] 2022-01-30
[10] Youtube The Engineering of the Drinking Bird https://www.youtube.[...] 2022-01-30
[11] 웹사이트 Three hand-solved thermodynamics exercises for fun https://www.academia[...] Flórez-Orrego, Daniel. Polytechnic School, University of Sao Paulo
[12] 서적 Experiments And Observations On Electricity, Made At Philadelphia in America … https://books.google[...] David Henry 1769
[13] Youtube Pulse Glass https://www.youtube.[...]
[14] 학술지 Modo di utilizzare il calorico dell' ambiente per produrre un piccolo lavoro https://books.google[...] 1874
[15] 웹사이트 Oscillating motor https://patents.goog[...] 2022-01-30
[16] 웹사이트 US253868A - Motor - Google Patents https://patents.goog[...]
[17] 문서 Alice Calaprice and Trevor Lipscombe, Albert Einstein: A Biography (Greenwood Publishing Group, 2005):86–87.
[18] 서적 おもちゃの科学 講談社 1977-02
[21] 문서 "Dr. Sullivan also holds patents on several novelty items such as the well-known drinking bird."
[22] 문서 "Miles V. Sullivan [..] is a member of the Photolithography Group in the Bipolar IC ... He is probably best known as the inventor of the “perpetually” drinking bird novelty."
[23] 웹사이트 USD146744S - Design for an activated toy bird figure - Google Patents https://patents.goog[...]
[24] AV media Arrested Development S4E11 Original Cut "A New Attitude" https://www.netflix.[...] Netflix 2013-05-26
[25] 웹사이트 Reading Australia: 'The Floating World' by John Romeril https://www.australi[...] 2022-05-22
[26] 학술지 A dunking bird of the second kind http://mpalffy.lci.k[...] 2012-02-19
[27] 문서 安全衛生情報センター 危険有害性の要約 ジクロロメタン http://www.jaish.gr.[...]
[28] 문서 "US2402463">U.S. Patent 2,402,463 https://patents.goog[...]
[29] 문서 다이클로로메테인 물질안전보건자료 https://sciex.com/Do[...]
[30] 웹인용 Toxicological Profile for Methylene Chloride http://www.atsdr.cdc[...] 2006-09-10
[31] 저널 인용 Experiments with the drinking bird http://nautilus.fis.[...] 2012-02-19
[32] 문서 How the Drinking Bird Science Toy Works https://www.thoughtc[...]
[33] 문서 다이클로로메테인 https://www.carlroth[...]
[34] 웹인용 Three hand-solved thermodynamics exercises for fun https://www.academia[...] Flórez-Orrego, Daniel. Polytechnic School, University of Sao Paulo


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