эффект Крапивина

[MaLilil]

Нашёл ещё одно интересное явление-эффект

Цитата:

Советский физик академик Алексей Васильевич Шубников (1887 — 1970), чье имя носит основанный им Институт кристаллографии АН СССР, неоднократно выступал в журнале «Наука и жизнь» с интересными статьями не только по тематике своих основных работ — кристаллофизике, теории симметрии и теории роста кристаллов. В этом номере мы представляем читателям его статью «Парадоксы физики», напечатанную в журнале «Наука и жизнь» # 6, 1936 г.
Опыт, описанный А. В. Шубниковым в этой статье, представляет большой интерес и теперь, почти 60 лет спустя. Дело не только в том, что опыт этот связан с интересным, на первый взгляд даже парадоксальным явлением. Не менее важно и то, что он имеет непосредственную связь со вторым началом термодинамики — фундаментальным законом природы, непонимание или даже неточная трактовка которого до сих пор порождает то «невероятное количество ошибок», о которых писал автор статьи (см., например, разбор газетных статей в новом научно-популярном журнале АН СССР «Энергия» # 1, 1984 г.).
В числе этих ошибок не только неверная трактовка некоторых опытов, похожих на описанный, но и более серьезные заблуждения, связанные с попытками создать «новую энергетику» путем «концентрации рассеянного тепла окружающей среды».
Поэтому редакция сочла полезным повторить публикацию статьи «Парадоксы физики", сопроводив ее комментариями.

Цитата:

Можно ли нагреть более холодным телом горячее? Всякий, кто прочитал замечательную книгу Я. И. Перельмана «Знаете ли вы физику?» (изд. второе, ОНТИ, 1935 г.), должен почувствовать, как, в сущности, плохо мы умеем пользоваться законами физики даже и тогда, когда мы с полным правом можем считать себя знающими физику.
Идея настоящей заметки возникла после размышления над задачей # 155 из названной книги. В этой задаче спрашивается, можно ли довести воду до кипения, подогревая ее 100-градусным паром. В ответе говорится, что «100-градусным паром можно довести воду до т о ч к и кипения, но не до с о с т о я н и я кипения: вода будет оставаться в жидком виде».

В этом случае участники спора и посторонние слушатели могут извлечь для себя от дискуссии огромную пользу. Ради этой цели мы позволим себе поставить задачу Я. И. Перельмана более широко: можно ли нагреть 100 градусным паром жидкость выше 100 С? Этот вопрос был предложен 25 лет назад профессором физической химии Крапивиным выпускникам-студентам Московскогo университета, к которым принадлежал тогда и автор настоящей заметки. С тех пор мне много раз приходилось задавать этот вопрос рядовым физикам и химикам, и не было случая, когда я получил бы правильный ответ. Один из видных химиков так обиделся на мой вопрос, что не пожелал даже продолжать разговор на эту тему, объявив, что сама постановка вопроса может свидетельствовать только о моем глубочайшем невежестве в физике; надо думать, что он причислил меня к сумасшедшим изобретателям перпетуум-мобиле. Дело кончилось тем, что мне пришлось обманом завлечь умного химика в лабораторию, где заранее был приготовлен опыт, показывающий, что 100-градусным паром можно нагреть жидкость до 110C и много выше.

Хотелось бы поподробнее обсудить, как такое может быть и какие глубинные физические явления в этом участвуют ?

Ссылка на полный текст

[VladimirKalitvianski]

А не похоже это на некую химическую реакцию с выделением теплоты? Ведь при конденсации пара выделяется скрытая теплота парообразования. Если ее не отводить, то при уменьшении количества пара и увеличении количества жидкости при конденсации с постоянным давлением и переменным (уменьшаемым) объемом жидкость будет греться.

[Pphantom]

Вообще-то в "полном тексте" дано исчерпывающее объяснение того, как такое может быть и почему. Что тут еще обсуждать?..

[Someone]

MaLilil в сообщении #884099 писал(а):

Ссылка на полный текст

А у меня пишет, что страница временно заблокирована.

[Lukum]

Еще сегодня открывалась, сейчас заблокирована.

[Denis Russkih]

(Оффтоп)

Lukum в сообщении #884188 писал(а):

Еще сегодня открывалась, сейчас заблокирована.

Мировое правительство не дремлет. :)

Вот ещё одна копия той статьи.

[Alex_J]

Здесь нет ничего противоречивого, если вспомнить, что у любого вещества определенной температуры есть молекулы с энергией выше среднего. Именно они в первую очередь "несут более высокую температуру". Но если и об этом не говорить, то есть и ещё один довод: кипящая вода уже содержит в себе поднимаюшиеся от нагревательного элемента пузырьки пара более высокой температуры. Вопрос только в теплоизоляции теплоприемника, чтобы защитить его от остывания. Может, можно достичь и более высоких температур. При этом закон сохранения не нарушается: энергии не станет больше. Температура меньшего объема в принципе могла бы стать выше температуры большего объема, если выделить тепловую энергию и передать ее в меньший объем. Адиабатическое сжатие - чем не метод?

[arseniiv]

Pphantom в сообщении #884119 писал(а):

Вообще-то в "полном тексте" дано исчерпывающее объяснение того, как такое может быть и почему. Что тут еще обсуждать?..

Присоединяюсь.

Alex_J в сообщении #884231 писал(а):

Здесь нет ничего противоречивого, если вспомнить, что у любого вещества определенной температуры есть молекулы с энергией выше среднего. Именно они в первую очередь "несут более высокую температуру".

Кавычки-то вы поставили, но ерундой это быть не перестало.

Alex_J в сообщении #884231 писал(а):

Но если и об этом не говорить, то есть и ещё один довод: кипящая вода уже содержит в себе поднимаюшиеся от нагревательного элемента пузырьки пара более высокой температуры.

Это тоже не имеет отношения к «эффекту». Тем более что практически разности температур у пара и жидкости, в которой он только что был пузырьком, никакой не будет. Нужно нагревать жидкость уж очень особым образом, чтобы её пар нагрелся выше температуры кипения и потом не растерял её при путешествии через жидкость. В опыте, предлагаемом в тексте, это точно мало по сравнению с количеством теплоты от конденсации.

Цитирую остаток текста (непонятно почему не доцитированный ТС — страшно ему стало, что ли) на случай проблемы со страницей по второй ссылке (оформление оригинала лень исправлять):

Цитата:

В колбу Вюрца наливается вода (см. рис. на стр. 77); в горлышко колбы вставляется пробка с термометром, причем шарик термометра, как полагается, помещается возле впая боковой пароотводной трубки колбы; свободный конец этой трубки погружается в насыщенный раствор поваренной соли. В стаканчик с раствором добавлен значительный избыток соли и погружен второй термометр. Для получения скорейшего ответа на поставленный нами вопрос желательно раствор подогреть до опыта, скажем, до 90'.

Вложение:

fig1.gif

Когда все приготовления сделаны, нагреваем воду в колбе до кипения и наблюдаем показания обоих термометров. Нетрудно убедиться, что ртуть термометра в колбе, поднявшись до метки 100' (чуть выше или ниже в зависимости от глубины погружения отводной трубки в раствор соли, давления атмосферы и верности термометра), будет оставаться в этом положении все время, пока кипит вода; ртуть же второго термометра будет подниматься до тех пор, пока пар не перестанет конденсироваться в растворе н не начнет проходить через него пузырьками в воздух. Другими словами, температура раствора соли будет подниматься до тех пор, пока он не закипит. Для большей убедительности опыта в этот момент можно поменять термометры местами.
Итак, 100-градусным паром можно нагреть жидкость выше 100'. Как же объяснить этот факт, если «всем известно», что по второму началу термодинамики холодным телом нельзя нагреть горячее? К счастью, второе начало этого не утверждает, а то, что оно утверждает, к сожалению, способен по-настоящему понять лишь весьма ограниченный круг лиц, если принять во внимание то невероятное количество ошибок, относящихся ко второму началу, которое можно найти не только в курсах физики, но и в курсах термодинамики. Описанное нами явление можно объяснить очень просто.
Если в раствор соли помещен пузырек водяного пара, то он или станет конденсироваться или всплывать на поверхность раствора. Всплывать он может только тогда, когда жидкость нагрета до кипения, ибо кипящая жидкость и есть та самая жидкость, в которой пар (ее собственный, конечно) может всплывать. Но ведь насыщенный раствор соли кипит при 110'. Следовательно, после того как раствор соли будет нагрет до 100', пары воды будут продолжать конденсироваться в растворе соли.
При конденсации пара выделяется тепло (540 кал/г), которое и будет нагревать раствор далее, пока не будет достигнута температура в 110'.
Можно рассуждать и иначе. Упругость водяного пара над раствором при 100' меньше, чем над чистым растворителем (т. е. чем над водой); следовательно, водяной пар, имеющий в кипящей воде упругость в одну атмосферу, не может иметь ту же упругость, попав в раствор. Если же упругость пара меньше атмосферного давления, то он должен конденсироваться в растворе и, выделяя теплоту конденсации, нагревать его.
Если вместо раствора поваренной соли взять более высоко кипящий раствор, то он, очевидно, может быть нагрет паром выше, чем раствор соли.
Само собой разумеется, что сказанное не может иметь приложения к нагреванию парами воды таких жидкостей, которые с водой не дают растворов: например, ртуть нельзя нагреть водяным паром до температуры ее кипения.

[Bobinwl]

arseniiv в сообщении #884390 писал(а):

Цитирую остаток текста (непонятно почему не доцитированный ТС — страшно ему стало, что ли) на случай проблемы со страницей по второй ссылке (оформление оригинала лень исправлять)

В статье не очень ясно объяснен эффект. То ли это дополнительный разогрев вследствие конденсации пара в раствор соли, то ли тепловыделение от растворения соли (которая "запасает" энергию при кристаллизация). Вот я ни разу не сталкивался с эффектом разогрева раствора при растворении в воде поваренной соли (например, при готовке супа ) ). Объяснение только через конденсацию пара как то понятнее, запас кристаллов соли нужен для поддержания насыщенного раствора, потому что именно насыщенный раствор кипит при 110 градусах (т.е. чуть менее насыщенный и кипит уже при 100 градусах, как можно понять из статьи).
А вообще то такой эксперимент и объяснение просто кладезь для изобретателей вечных двигателей. Вот смотрите - добавляем туда тепловую трубу и отводим тепло от склянки с солевым раствором к колбе. Колба начинает кипеть сильнее, нагревать склянку, от которой тепловая трубка снова отводит тепло к колбе и т.д. Затем изымаем из схемы горелку, затем добавляем паровую турбину, затем отводим ток. Ах да, соль нужно подкидывать, ну это дело нехитрое.

[Munin]

Bobinwl в сообщении #884940 писал(а):

В статье не очень ясно объяснен эффект. То ли это дополнительный разогрев вследствие конденсации пара в раствор соли, то ли тепловыделение от растворения соли (которая "запасает" энергию при кристаллизация).

Всё объяснено ясно. Первое. Если хотите, то после приготовления насыщенного раствора соли (при 90° - 100°) избыток соли можно просто удалить. Опыт не изменится. Только из-за того, что конденсирующиеся пары будут разбавлять раствор, достигнутая в итоге температура будет несколько меньше.

На растворение соли здесь, наоборот, тратится энергия. Кристаллизация не запасает энергию, а наоборот, выделяет. Это можно наблюдать в опыте по кристаллизации в пересыщенном растворе (например, так устроена солевая "грелка").

Bobinwl в сообщении #884940 писал(а):

т.е. чуть менее насыщенный и кипит уже при 100 градусах, как можно понять из статьи

Это неверно, и так нельзя понять из статьи. При 100° кипит чистая вода. Насыщенный раствор кипит при 110°. А ненасыщенный - при промежуточной температуре выше 100° и ниже 110°.

Насыщенность раствора нужна здесь, по сути, только для того, чтобы результат опыта получился наиболее ярким и легко наблюдаемым (по разности показаний термометров). В последнем абзаце явно указано, что раствор может быть любой, лишь бы вода в нём была растворима, и температура кипения была выше 100°.

Bobinwl в сообщении #884940 писал(а):

А вообще то такой эксперимент и объяснение просто кладезь для изобретателей вечных двигателей.

Похоже, что вообще любое явление физики - кладезь для невежественных изобретателей вечных двигателей.

[Denis Russkih]

Munin в сообщении #884944 писал(а):

В последнем абзаце явно указано, что раствор может быть любой, лишь бы вода в нём была растворима

Наверное, всё же соль? :)

[arseniiv]

Зачем соль? Это может быть раствор не соли, а кислоты, например.

[Munin]

Denis Russkih в сообщении #885024 писал(а):

Наверное, всё же соль? :)

Именно вода. Потому что именно водяной пар поступает из колбы по трубке.

[ratay]

Ну, наверное, все правильно, и лишняя энергия ниоткуда не появится, а второе начало запрещает не просто передачу тепла от холодного тела к горячему, а процесс, единственным результатом которого будет такая передача тепла. А тут еще и фазовые переходы. Можно и просчитать - промерять все теплоты, предварительно соорудив подобную установку, и еще раз доказать второе начало. Однако сам факт нагрева промерять легко, а с теплотами придется повозиться. Это и человеку со стороны понятно, а химикам тем более. А опыт забавный, студентам в качестве задачки его объяснение задавать.

[Denis Russkih]

Munin в сообщении #885051 писал(а):

Denis Russkih в сообщении #885024 писал(а):

Наверное, всё же соль? :)

Именно вода. Потому что именно водяной пар поступает из колбы по трубке.

Мда, действительно. :) Что-то я туплю.