Разберемся, в чем тут дело. На рис. 5.15 показаны схема работы вихревой трубы и ее внутреннее устройство.

Поток сжатого газа (например, воздуха) подводится к сопловому вводу, расположенному касательно к стенке трубы. В трубе газ закручивается в спирально движущийся поток. Внешняя часть 3 этого потока, выпускаемая через кольцевую щель, оказывается нагретой, а внутренняя часть 2, выходящая через отверстие в диафрагме, — охлажденной. Меняя положение конуса 5, можно изменять расходы и температуры горячего и холодного потоков. Однако во всех случаях температура потока Т 2меньше, чем входящего Т 1, а горячего Т 1— больше. Разности температур Т 1— Т 2= Т Xи Т 3— Т 1= Т Гмогут составлять десятки градусов. Это парадоксальное, но вполне объяснимое явление возникает в результате сложных газодинамических явлений, которые мы здесь разбирать не можем [89] . Для нас важен конечный результат — возникновение в трубе разности температур без какого-либо специального нагрева или охлаждения. Можно ли использовать эту разность, чтобы получить работу? Несомненно, да. Работу можно получить. Но нужно ли ее получать таким способом? Имеет ли такое преобразование смысл?

Увы, нет. В этом легко убедиться, посмотрев на схему включения вихревой трубы на рис. 5.16. Ведь для того, чтобы она действовала, нужно подать в нее сжатый газ, а чтобы сжать его, нужен компрессор, а чтобы компрессор работал, нужно подвести к нему работу L' от двигателя. Так вот, если сравнить эту затраченную работу L' с эксергией, работоспособностью горячего Е 3и холодного Е 2потоков газа, та она будет значительно больше: L' >> Е 2+ Е 3. Разность L' — (E 2+ Е 3) даст потерю D эксергии в этом процессе. Оказывается, что она в самом лучшем случае составляет 88-90% подведенной работы. Другими словами, КПД всей системы составит не более 12%.

Ясно, что никакой «инверсии энергии» здесь нет; напротив, как и во всяком реальном техническом устройстве, эксергия теряется (а энтропия растет). Можно, конечно, и здесь получать электроэнергию L'', но при этом неизбежно получится тот же плачевный результат, что и с другими «концентраторами энергии», например тепловым насосом: L'' по отношению к L' составит 10-12%. Кстати, автор и той, и другой идеи — одно и то же лицо.

Интересно отметить, что мысль о том, что вихревая труба — жилище демона Максвелла и что ее действие нарушает второй закон, приходила в голову многим. Характерна в этом отношении статья М. Силвермэна, помещенная в 1982 г. в журнале Европейского физического общества под интригующим названием «Вихревая труба: нарушение второго закона?» [2.15]. Подробно разобрав вопрос на пяти страницах, автор с грустью все же приходит к выводу, что второй закон термодинамики в вихревой трубе не нарушается.

Другой, не менее любопытный вариант «самопроизвольного» получения разности температур привел известный советский кристаллограф академик (тогда еще профессор) А.В. Шубников в статье «Парадоксы физики» [2.16]. Автор ставит вопрос: можно ли нагреть стоградусным паром жидкость выше 100°? Дальше он пишет: «Этот вопрос был предложен 25 лет назад профессором физической химии Крапивиным выпускникам Московского университета, к которым принадлежал 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 стоградусным паром можно нагреть жидкость до 110°С и много выше. Опыт делается очень просто».

Далее описана установка для опыта. В колбу Вюрца (рис. 5.17, а)наливается вода; в горлышко колбы вставляется пробка с термометром, причем шарик термометра, как полагается, помещается возле боковой пароотводной трубки колбы; свободный конец этой трубки погружается в насыщенный раствор поваренной соли, в который помещен второй термометр. При нагревании воды в колбе до кипения ртуть термометра в колбе, поднявшись до метки 100 °С, будет оставаться в этом положении, пока кипит вода; ртуть же второго термометра будет подниматься до тех пор, пока раствор соли тоже закипит. Температура кипения насыщенного раствора соли равна примерно 110°С. Эту температуру и покажет второй термометр. Для большей убедительности опыта можно поменять термометры местами; все равно термометр покажет, что раствор соли имеет температуру 110°С! Следовательно, водяной пар, имеющий температуру 100 °С, нагрел рассол до 110 °С. Как же быть со вторым законом термодинамики?

Опыт действительно интересный, и в его результатах необходимо разобраться. Сделать это нужно с особой тщательностью, поскольку, как мы уже видели, любая самая маленькая неточность может привести к большим ошибкам, в том числе к очередному «перпетомобилю».

Начнем поэтому, как всегда в таких случаях, с терминов. Отметим, прежде чем разбирать вопрос по существу, одну небольшую, но очень существенную неточность в самом названии опыта. Строго говоря, в опыте производится не «нагрев стоградусным паром жидкости до 110°С и выше», а нечто более сложное.

Чтобы наглядно показать это, представим опыт в таком виде, чтобы он точно соответствовал названию. Тогда колба с нагреваемой жидкостью выглядела бы немного иначе — так, как показано на рис. 5.17, б.Греющий пар нужно было бы пропустить по змеевику, не смешиваяс соленой водой в стакане, а только нагревая еечерез стенку трубки. Вот тогда был бы действительно «нагрев стоградусным паром» жидкости в стакане. И если бы в этих условияхжидкость — соленая вода — нагрелась до 110 °С, то второму началу тут же пришел бы конец к радости всех изобретателей вечного двигателя второго рода. Но, увы, этого не произойдет; при таком устройстве прибора любая жидкость,в том числе и соленая вода, никогдане нагреется выше температуры пара — 100 °С. Любой желающий может легко это проверить. Выходит, что тот «химик-скептик», которого Шубников обманом затащил в лабораторию, был абсолютно прав, в своем возмущении: «нагреть» (в точном смысле этого слова) «стоградусным паром» рассол до 110°С действительно нельзя.

Теперь мы можем вернуться к «опыту Крапивина» и рассмотреть его точно в том виде, как он описан в заметке. Здесь происходит не просто нагрев, а смешениеводяного пара с соленой водой. В этом, как уже, наверное, догадывается читатель, вся «соль» вопроса и содержится. Пузырьки пара, как совершенно правильно в дальнейшем объяснит А.В. Шубников, конденсируются в растворе соли, все время разбавляя его.При этом лежащая на дне сосуда соль постепенно переходит в раствор, поддерживая его в состоянии, близком к насыщению. Эти два процесса растворения — пузырьков пара в рассоле и соли в нем — и приводят к нагреванию рассола до температуры, существенно более высокой, чем 100 °С.