Парадокс теплообмена

Парадокс теплообмена — неожиданное с обыденной точки зрения явление в термодинамике, заключается в том, что при использовании теплообменника можно получить парадоксальный эффект и нагреваемое вещество будет иметь температуру выше, чем вещество от которого было отобрано тепло, и это без энергозатрат извне.

Простейший теплообменник типа «труба в трубе»

История

Указанный парадокс приводится в книге В. Н. Ланге в качестве задачи по молекулярной физике и теплоте. Там же приводится решение данного парадокса^[1]. Сущность решения заключается в том, что от нагреваемой жидкости отделяется небольшая часть и приводится в тепловой контакт с охлаждаемой жидкостью. После наступления теплового баланса между этой частью и охлаждаемой жидкостью, она опять отсоединяется и помещается отдельно. Затем следующая часть отделяется от нагреваемой жидкости и вступает в тепловой контакт с охлаждаемой жидкостью (уже немного охлаждённой на предыдущем этапе). И снова, после наступления теплового баланса, эта часть нагреваемой жидкости отделяется и помещается вместе с предыдущей частью. В результате такого теплообмена «по частям» конечная температура нагреваемой жидкости будет выше конечной температуры охлаждаемой жидкости.
Другие вариации данного парадокса включены в «золотой фонд» элементарной физики ^[2].

Применение

Данное явление нашло широкое применение в теплотехнике, в частности при создании и использовании теплообменников. Впервые данный эффект в 1857 году Вильгельм Сименс использовал в своём поршневом детандере (хотя и не очень удачно), что было существенным вкладом в общее развитие низкотемпературной техники^[3][4]. Позже Пётр Капица использовал теплообмен во встречных потоках в криогенной установке, в которой эффективность теплообменника достигала 92 %^[5].

Примечания

1. В. Н. Ланге. Физические парадоксы, софизмы и занимательные задачи. Москва, 1967 г., стр. 35, 110—111.
2. Московский физический центр. "Задачи и парадоксы".  (неопр.) Дата обращения: 28 апреля 2014. Архивировано 29 апреля 2014 года.
3. Н. Н. Агапов. Природа. № 4, 1994 г.  (неопр.) Дата обращения: 18 мая 2014. Архивировано 5 марта 2016 года.
4. Charles William Siemens, «Improvements in refrigerating and producing ice, and in apparatus or machinery for that purpose», British patent no. 2064 (filed: July 29, 1857).
5. П. Л. Капица. Адиабатический метод ожижения гелия. УФН, т. 16, вып.2, 1936 г. (стр. 152)  (неопр.). Дата обращения: 16 января 2013. Архивировано 10 июня 2012 года.