El pajarito bebedor es un juguete de una simpleza deslumbrante. Un tubo con dos bulbos, cabeza y abdomen, un eje sobre el que girar, pico y sombrero, que vuelve una y otra vez a beber, en un balanceo inagotable. Pero ¿por qué no para? ¿Es insaciable? Y ¿qué ocurriría si le quitamos el agua o en su lugar le ponemos… un whisky? El pajarito, con el whisky, doblaría su velocidad. El alcohol le afecta, aunque sea un pájaro de juguete.
Nada de movimiento perpetuo
El pájaro bebedor es una estrella internacional. Considerado el "mejor invento del mundo" por Homer Simpson, ha tenido apariciones estelares en series como Padre de Familia y Mad Men. Cuentan que Albert Einstein se maravilló al verlo en su visita a Shanghái en 1922 y dedicó tres meses de su vida a investigar la termodinámica detrás de este artilugio.
El pajarito bebedor no es un móvil perpetuo. No le basta un impulso para preservar su movimiento eternamente. Necesita beber, o más bien sudar.
Si retiramos el agua, o el whisky, detendría su movimiento en cuestión de minutos. Y no es que el líquido sea su combustible, es que en realidad estamos ante una simple pero asombrosa máquina térmica que funciona cíclicamente, y que, en su concepción, no difiere mucho de un motor de gasolina o un aerorreactor.
En toda máquina térmica, el pajarito entre ellas, un fluido experimenta cuatro procesos fundamentales: absorbe calor, se expande, cede calor y, por último, se comprime. Todos estos procesos están ocurriendo mientras sube y baja una y otra vez.
Además, al ser un motor térmico, su funcionamiento se rige por los principios de la termodinámica. Del primer principio podemos deducir que no podemos obtener trabajo de la nada, mientras que el segundo principio establece que tampoco podemos obtener trabajo utilizando únicamente una sola fuente térmica. Para extraer potencia de un motor térmico, se tiene que absorber calor de una fuente a alta temperatura y ceder calor a otra fuente a baja temperatura.
IMAGEN: Experimentos con el pájaro volador para Sixty simbols. Sixty símbolos / YouTube, CC BY
El pájaro bebedor se mueve gracias a la diferencia de temperaturas entre su cabeza y su abdomen. Normalmente, en un motor térmico, se utiliza el ambiente como fuente térmica a baja temperatura y mediante algún proceso, como la combustión, se consigue una temperatura superior. En este caso ocurre lo contrario, se consigue reducir la temperatura respecto a la del ambiente, pero ¿cómo? Aquí entra en juego el sudor.
La cabeza del pajarito bebedor se enfría
Esto es lo que ocurre en la cabeza del pajarito. El pico, compuesto de un material poroso, se sumerge en el agua, a temperatura ambiente, absorbiendo parte de esta, que se extiende alrededor de la cabeza por capilaridad. El agua, al estar en contacto con el ambiente, tiende a evaporarse. Es la razón por la que sentimos frío cuando salimos de la piscina o de la ducha, o el efecto que el sudor ejerce en nuestro cuerpo.
Para evaporarse, el agua necesita energía, y esa energía la extrae de la cabeza del pajarito, consiguiendo así reducir su temperatura.
Este fenómeno se conoce como enfriamiento evaporativo y da lugar a la segunda fuente térmica en nuestro sistema.
En un entorno saturado, el agua no podría evaporarse y la cabeza del pajarito no experimentaría ningún enfriamiento. Sin embargo, cuando la humedad relativa es inferior al 100%, el agua se evapora y para ello absorbe energía de la cabeza reduciendo su temperatura. La mínima temperatura que podría alcanzar la cabeza del pajarito coincide con un valor conocido como temperatura de "bulbo húmedo".
¿Y si el pajarito en vez de agua bebiese whisky?
El whisky, al igual que muchas bebidas, se compone principalmente de agua y alcohol. Cuando hablamos de alcohol en el contexto alimentario nos referimos normalmente al etanol. Sabemos el efecto que el alcohol produce en nuestro cuerpo, pero ¿qué le ocurriría al pajarito?
Probablemente todos recordemos cómo nos desinfectábamos las manos con alcohol durante la pandemia del covid-19. Un alcohol que a los pocos segundos desaparecía de nuestras manos dejando una sensación de frescor. Y es que el alcohol tiene más facilidad para evaporarse que el agua.
A 25ºC, el aire admite más del doble de moles de etanol que de vapor de agua, lo que favorece su evaporación y con ello la velocidad a la que se mueve el pajarito.
Con un whisky, en una habitación calentita, el pájaro al menos doblaría la velocidad a la que se mueve.
¿Es un motor eficiente?
Fundamentalmente, el juguete, como cualquier motor térmico, transforma la energía térmica en trabajo, aunque no de forma íntegra. De esto ya se dio cuenta Carnot hace prácticamente dos siglos.
Incluso en el escenario ideal de una máquina perfecta, donde no se produce entropía en ninguno de los procesos, su eficiencia, definida como el trabajo producido entre el calor absorbido, alcanza un máximo conocido como el límite de Carnot. Este límite depende únicamente de las temperaturas de ambas fuentes térmicas.
Supongamos, por ejemplo, que nuestro pajarito se encuentra en un entorno a 25ºC con una humedad relativa del 50%. En este caso, la temperatura de bulbo húmedo sería de 18ºC y el rendimiento del pajarito no superaría el 3%. Sin embargo, esto no resta mérito al asombroso funcionamiento de la pequeña máquina.
Pero… ¿por qué vuelve a beber?
El mecanismo del pajarito consiste en la unión de dos bulbos (cabeza y abdomen) y un tubo que los une y penetra en el bulbo del abdomen hasta quedar sumergido en el líquido contenido en su interior.
El líquido más utilizado en experimentos de laboratorio suele ser diclorometano, un alcohol cuyo punto de ebullición se encuentra cercano a la temperatura ambiente.
Una vez se extrae el aire del interior y se introduce el diclorometano, el sistema alcanza el equilibrio evaporando parte de este hasta alcanzar su presión de vapor, la cual está ligada a la temperatura. Así, cuando todo el sistema está en equilibrio, las fases vapor de la cabeza y del abdomen, separadas por el líquido, se encuentran a la misma presión.
IMAGEN: Esquema de funcionamiento del pajarito bebedor.
Cuando la temperatura del gas de la cabeza se reduce como consecuencia del enfriamiento evaporativo, parte del vapor condensa, y la presión de vapor se reduce considerablemente dadas las características del diclorometano en el entorno de su punto de ebullición.
Por el contrario, el vapor del abdomen absorbe calor del ambiente, parte del líquido se evapora y su presión aumenta. Como consecuencia de esa diferencia de presión, el líquido va ascendiendo por el tubo para compensar las fuerzas que aparecen, desplazando así el centro de gravedad hacia arriba.
Esto hace que el pajarito, en su balanceo, llegue a desequilibrarse inclinándose hacia adelante para volver a beber.
En ese instante, podemos observar cómo una burbuja del vapor del abdomen (a mayor presión) se transfiere a la cabeza, haciendo que tanto la presión como la temperatura se homogeneicen y el ciclo vuelva a empezar.
Desde soplar la sopa hasta sudar, e incluso al beber agua de un botijo de los tradicionales, estamos confiando en el enfriamiento evaporativo, un sistema utilizado en innumerables aplicaciones, como centrales térmicas, centrales nucleares, trajes espaciales, cohetes, etc. Así, al igual que lo hizo Einstein, mientras contemplamos absortos el movimiento oscilatorio del pajarito bebedor podemos apreciar la profunda influencia de la termodinámica en nuestro mundo.
David González-Bárcena, Profesor ayudante doctor en el Departamento de Mecánica de Fluidos y Propulsión Aeroespacial de la ETSIAE e invesigador en el Instituto Universitario de Microgravedad "Ignacio da Riva", Universidad Politécnica de Madrid (UPM).
Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.
