喝水鳥的能量轉換與流動

原始設計者:彰師大

喝水鳥不斷地喝水的動作，和分子間的吸引力、分子的蒸氣壓、能量的流動有關。

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1.現象說明

喝水鳥為一裝飾成鳥的玩具，玻璃管內部有密封的彩色液體，鳥的頭及喙以泡棉包覆之。將其放在水杯旁，喝水鳥會反覆地做像是喝水的動作。

2.探究問題

喝水鳥反覆喝水的動作，看起來似乎永遠地動下去。然而喝水鳥運動看似沒有能量來源。我們將探討喝水鳥的內容分子的性質，能量如何從外界流入，以及能量與液體分子之間的關係。

3.實作項目

• 3.1 將喝水鳥頭部的泡棉沾水，放在水杯旁，讓喝水鳥反覆動作。觀察喝水鳥的動作及內部液體的變化，必要時調整喝水鳥高度。若室溫太低(低於25 。C) 時，喝水鳥可能無法運動，可以點蠟燭或開暖氣讓喝水鳥周圍的環境溫度上升。
• 3.2 喝水鳥的包裝上有內含液體的分子式，將分子式寫下來:
• 3.3 觀看所附的分子動力學影片，水分子吸收能量而蒸發，其中影片中每秒顯示的運動約發在一皮秒(10-12 秒) 。

https://www.youtube.com/watch?v=IGEP-u1PNX0

4.分析與結論

• 4.1 喝水鳥玻璃瓶中的液體是二氯甲烷(CH2Cl2 )，結構為

二氯甲烷的沸點是 39 °C，遠低於水的沸點100 °C。前面的分子動力學影片模擬水的蒸發，嘗試解釋為什麼二氯甲烷會比水更容易蒸發。二氯甲烷分子間的吸引程度，和水比較如何?

• 4.2 閱讀以下關於「電負度」的簡介，並探討問題。

電負度: 電負度 (electronegativity)，也稱負電性或陰電性，每一個原子都有其特有的，大於零的電負度數值。電負度越大的原子，在與另一原子鍵結時吸引電子的傾向越強，越具有局部負電，鍵結的另一端則帶局部正電。分子內的局部正負電分布越明顯，越容易彼此吸引電負度沸點較高。電負度順序為: F> O > N, Cl > Br > S > I > C > P > H

從電負度順序，你認為二氯甲烷或水較易具有局部正負電 ?

• 4.3 喝水鳥內的彩色液體看起來逐漸地往上爬，你認為液體分子為什麼會逐漸在液體的上方累積呢?
• 4.4 喝水鳥頭部的泡棉沾水，使得彩色液體更容易往上爬。泡棉沾水的目的為何 ?
• 4.5 試述喝水鳥運動過程中，二氯甲烷反覆變化的過程中能量的流動。根據你的敘述，試討論: 如果喝水鳥內部的液體換成水或酒精，喝水鳥會動嗎? 為甚麼 ?

5.教學目標與評量

• 5.1 能從電負度差異，判斷水分子的局部正負電分立程度大於二氯甲烷，前者有較大的分子間吸引力。
• 5.2 能知道二氯甲烷因分子間吸引力較小，沸點較低且蒸氣壓較水為高。
• 5.3 能知道外部氣體的能量流向喝水鳥，喝水鳥的頭部泡棉將二氯甲烷氣體降溫使其凝結，讓二氯甲烷液體向上累積。

6.參考資料

• 6.1 參考文獻

[1] 喝水鳥簡介  : https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%A5%AE%E6%B0%B4%E9%B8%9F

[2] 蒸氣壓 : https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%92%B8%E6%B0%A3%E5%A3%93

[3] 二氯甲烷 : https://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%BA%8C%E6%B0%AF%E7%94%B2%E7%83%B7