„Więc dlaczego nie możemy zrobić czegoś odwrotnego?”Z powodu drugiej zasady termodynamiki! Bardzo, bardzo z grubsza, ciepło jest `` cienko rozprowadzaną '' energią i nie organizuje się spontanicznie w `` skoncentrowaną '' energię, której chcemy (w taki sam sposób, w jaki kropla atramentu uwolniona do zbiornika z wodą nie zbierze się samorzutnieponownie w kroplę).Rada: jeśli naprawdę jesteś zainteresowany, poczytaj o termodynamice!

tl; dr - Obecna technologia pochłania gradienty temperatury, a nie ciepło. Gdy gradienty temperatury stają się arbitralnie duże, ich zawartość informacyjna prawie zbliża się do zawartości informacyjnej ciepła, tak że pozorna sprawność cieplna $$ {\ eta} _ {\ text {Carnot ~ efektywność}} ~~ {\ equiv} ~~ \ frac {E _ {\ text {użyteczne}}} {E _ {\ text {ciepło}}} ~~ {\ około} ~~ 1- \ frac {T _ {\ text {zimno}}} {T _ {\ text {gorąco}}} \ ,, $$ prawie zbliża się do jedności, co pokazuje, że możemy prawie absorbować ciepło, gdy gradient temperatury jest wystarczająco duży.

Hipotetyczna / przyszła technologia: pochłanianie ciepła jako energii

Możesz okiełznać ciepło z niemal idealną wydajnością! Wystarczy znaleźć demona Maxwella. Demona Maxwella może być trudno znaleźć, ale demon Laplace'a może ci powiedzieć, gdzie jest.

Najfajniejsze w demonie Maxwella jest to, że lubi oddzielać rzeczy na podstawie bardzo precyzyjnej percepcji i ruchu:

.

W zasadzie mówisz demonowi Maxwella, aby wypuszczał cząstki o dużej prędkości, gdy osiągają one prawie styczne prędkości, aby zasilić dynamo. I bam! Energia elektryczna.

Problem z tym schematem polega na tym, że tak naprawdę nie wiemy, czym jest ciepło. Chodzi mi o to, że rozumiemy, że cząstki odbijają się dookoła i tak dalej, ale nie znamy wszystkich dokładnych lokalizacji, prędkości i tym podobnych dla wszystkich cząstek. Biorąc pod uwagę tę ignorancję, w zasadzie nie jesteśmy w stanie nic zrobić z ciepłem.

Z wyjątkiem, oczywiście, sytuacji, gdy nasza ignorancja nie jest pełna. Na poziomie makroskopowym możemy docenić takie rzeczy jak gradienty temperatury; im większy gradient temperatury, tym więcej mamy informacji o względnym ruchu cząstek w różnych temperaturach.

I możemy wykorzystać te informacje do momentu, w którym je usunęliśmy. Na przykład, możemy użyć ciepła do zagotowania wody, produkcji pary, a tym samym podniesienia ciśnienia, używając tego ciśnienia do obracania turbiny. Gdy para obraca turbinę, przechodząc z obszaru o wyższym ciśnieniu do niższego ciśnienia, ponownie tracimy rozróżniające informacje o systemie, aż nasza ignorancja ponownie się zakończy; ale z umowy czerpiemy użyteczną energię.

Koncepcyjnie wszystko sprowadza się do informacji. Ilekroć mamy informacje o czymś, możemy być w stanie wprowadzić te informacje w życie do momentu, w którym przestaniemy je mieć. Chociaż możemy powiedzieć, że niekoniecznie tracimy wszystkie informacje, ponieważ energia, którą uzyskujemy z transakcji, nie jest tak naprawdę „ energią ”, a raczej systemem, który mamy relatywnie więcej informacji, dzięki czemu możemy łatwiej wykorzystywać.

Demon Maxwella i demon Laplace'a to potężne stworzenia, ponieważ mają mnóstwo informacji. Mając zawsze informacje, zawsze mogą skonstruować systemy, które mogą wykorzystać do wydobycia energii. Z drugiej strony, ludzie mają zwykle ograniczone informacje.

I na tym polega problem z arbitralnym pochłanianiem " ciepła " : ciepło to niejasny opis rzeczy poruszających się. W rzeczywistości nawet znajomość temperatury jest sama w sobie dość bezużyteczną informacją; potrzebujemy raczej gradientów temperatury, czyli informacji rozróżniających, aby świadomie skonstruować system, który zachowuje się tak, jak chcemy, np. generator prądu.

W prawdziwym życiu istnieje zainteresowanie tworzeniem maszyn molekularnych, takich jak obserwowane w klasycznym przykładzie syntazy ATP, jako technologii przyszłości. Jak @J ... wskazał, demon Maxwella w powyższym działa jako prostownik termiczny , który jest obecnie badany ( przykład).

Obecna technologia: pochłanianie gradientów temperatury, a nie ciepła

Dlaczego wytwarzanie energii elektrycznej przez pochłanianie ciepła jest tak nieefektywne?

Powyżej opisano system wytwarzania energii elektrycznej z ciepła. Jednak obecna technologia nigdy tego nie robi.

Przy obecnej technologii absorbujemy gradienty temperatury . Może to brzmieć pedantycznie, ale fakt, że pochłaniamy gradienty, a nie samo ciepło, jest właśnie powodem, dla którego nie możemy uzyskać energii równej ciepłu z procesu.

Ponieważ pochłaniamy gradienty, wydajność Carnota ma tendencję do zwiększania się wraz z rozmiarem gradientu, $$ {\ eta} _ {\ text {Carnot ~ efektywność}} ~~ {\ approx} ~~ 1- \ frac {T _ {\ text {zimno}}} {T _ {\ text {gorąco}}}. $$

Koncepcyjnie powodem tego jest to, że gradient temperatury $$ {\ Delta} T ~~ {\ equiv} ~~ T _ {\ text {gorący}} - T _ {\ text {zimny}} $$ staje się arbitralnie duże, informacja zawarta w znajomości gradientu temperatury zbliża się do informacji, którą poznałby demon Laplace'a, w którym momencie wydajność zbliżyłaby się do jedności: $$ \ lim _ {{\ Delta} T {\ rightarrow} \ infty} {\ left (1- \ frac {T _ {\ text {zimno}}} {T _ {\ text {zimno}} + {\ Delta} T} \ right)} ~~ {\ rightarrow} ~~ 1, $$ tj. 100% wydajności.

To z pewnością nie znasz dokładnych prędkości wszystkich cząstek, ale to, czego nie wiesz, jest przyćmione tym, co wiesz, tj. ekstremalnym względnym gradientem temperatury .

Kiedy używasz ciepła do produkcji energii elektrycznej (lub jakiejkolwiek innej formy energii), ogranicza Cię wydajność Carnota:

$$ \ eta = 1 - \ frac {T_C} {T_H} $$

Nie możesz wykonać żadnej użytecznej pracy przy użyciu samego źródła ciepła - potrzebujesz również zimnego środowiska, aby pochłonąć ciepło podczas procesu. Dlatego jest prawie niemożliwe, aby wszystko na świecie było jednocześnie chłodniejsze, gdy używa się silnika cieplnego i dlaczego niemożliwe jest osiągnięcie 100% (lub nawet prawie 100% wydajności) z nim, chyba że jesteś gotowy, aby przejść do planeta o temperaturze otoczenia bliskiej zeru absolutnemu.

Wydaje mi się, że energia jest tracona podczas konwersji z jednej formy energii na inną, ale jak możemy uzyskać tak wielką wydajność przechodząc z jednej formy, ale mając okropną wydajność wracając?

Energia nigdy nie jest tracona ani tworzona znikąd. Potocznie „utrata energii” oznacza, że ​​część z niej została zamieniona na ciepło zamiast w pożądaną formę. Dlatego mówi się, że grzejnik ma 100% sprawność.

Obraz

„Dlaczego” to zazwyczaj trudne pytanie. Ale w tym przypadku naprawdę łatwo jest narysować mentalny obraz:

Wyobraź sobie komplet piłek bilardowych ładnie ułożonych w ich zwykły trójkąt. Analogicznie, odpowiada to czemuś, co jest stosunkowo zimne (tj. Atomy poruszają się stosunkowo mało i są bardziej uporządkowane, gdy są zimniejsze - oczywiście, zimniejsze atomy nie stoją nieruchomo jak kule bilardowe).

Teraz zaczyna się gra i dobry gracz uderza w bile, tak że są rozłożone na całym stole. Odpowiada to wyższej entropii cieplejszej sytuacji (tj. Wzrasta nieporządek cieplejszych, bardziej poruszających się atomów).

Zwróć uwagę, że nie ma znaczenia, w jaki sposób kulki zatrzymają się: dowolna konfiguracja piłek znacznie różni się od pierwotnego trójkąta początkowego - to zaburzenie odpowiada wyższemu stanowi entropii. Jest tylko jedna niska entropia, wysoce uporządkowana pozycja początkowa i wiele stanów nieuporządkowanych o wysokiej entropii po przerwaniu trójkąta. Tworzenie dowolnej chaotycznej konfiguracji piłek jest bardzo (po prostu uderzaj kijem w dowolny sposób). Jest mało prawdopodobne, aby wytworzył uporządkowany stan, taki jak konfiguracja trójkąta (co odpowiada uporządkowanej, spójnej energii użytecznej). Jest bardzo mało prawdopodobne, że zderzenie z cue spowoduje powrót ich do ramy trójkąta (tj. Jest mało prawdopodobne, aby atomy zderzające się ze sobą losowo poruszały się w tym samym kierunku).

A teraz, aby odnieść się do twojego pytania:

• Kulki to atomy.
• Kule w uporządkowanym stanie (trójkąt) odpowiadają zimniejszym atomom.
• Kule w stanie chaotycznym odpowiadają cieplejszym atomom.
• Elektrony odpowiadają kuli bilardowej (w przewodzie, w którym płynie prąd).

Wniosek / odpowiedź

Uporządkowane elektrony (prądy) przypadkowo uderzające w atomy z łatwością powodują, że atomy, w które trafiają w drucie, bardziej się poruszają (podgrzewają je), co oznacza, że łatwo jest zbudować grzejnik elektryczny.

Odwrotne, rozgrzane atomy powodujące uporządkowany ruch elektronów nie nastąpi spontanicznie, ponieważ jest to niezwykle mało prawdopodobne.Dlatego nie możemy polegać na „przypadkowym” prądzie generowanym przez ciepło.

Możemy i to już jest zrobione.Masz generatory termoelektryczne - w zasadzie element Peltiera, którego używasz do chłodzenia procesora w komputerach osobistych (ale odwrotnie).Sprawiasz, że jedna strona jest gorąca, a druga chłodna, i dostajesz prąd elektryczny.Jak się podgrzewa?Cóż, to zależy od ciebie.Możesz spróbować przez optykę lub ogrzewanie wody (np. „Chłodzenie wodą wstecz”, lol).Na youtube jest wiele osób, które eksperymentują, jeśli chcesz się czegoś o tym dowiedzieć.

Jak więc zyskujesz fajność?Poza ziemią często jest fajnie.Woda jest dobrym chłodziwem itp.

Na Twoje pierwsze pytanie można odpowiedzieć:

Po włączeniu grzejnika działa efekt Joule, który zamienia energię elektryczną w ciepło. Efekt ten to irreversible. Rozumie się przez to, że gdybyś mógł nakręcić film o grzejniku i odtworzyć ten film wstecz, prawa fizyki już by nie obowiązywały. Rzeczywiście, zobaczysz, że prąd zmienia kierunek i zobaczysz, jak nagrzewnica sama się ochładza. Jednak efekt Joule'a zachowuje się jak $ \ sim I ^ 2 $, więc zmiana $ I $ o $ -I $ nie zmienia efektu Joule'a i można by oczekiwać, że drut nie będzie chłodniejszy, jeśli będą obowiązywały prawa fizyki (a dokładniej, Prawo Ohma).

Teraz odpowiadając na pytanie „dlaczego przekształcanie ciepła w energię elektryczną jest tak nieefektywne?”:

Przede wszystkim urządzenia, które przekształcają różnicę temperatur w napięcie, nazywane są generatorami termoelektrycznymi (TEG). Ich zasada działania opiera się na odwracalnym efekcie Seebecka. Główną odpowiedzią na twoje pytanie nie jest to, że te silniki są rzeczywiście ograniczone wydajnością Carnota, jak stwierdzili inni tutaj (ponieważ są to silniki cieplne, co jest prawdą), ale ponieważ Nie znaleźliśmy jeszcze materiałów wystarczająco dobrych, aby zapewnić wyższą wydajność. Gdyby ten pierwszy powód był prawdziwy, nie byłoby sensu próbować poprawić wydajności obecnych TEG, podczas gdy w rzeczywistości jest to obecnie gorący temat w materiałoznawstwie (i był również w ostatnim stuleciu, z wzlotami i upadkami). . Dlatego niektórzy naukowcy mają nadzieję, że pewnego dnia znajdziemy materiały wystarczająco dobre, aby TEG były konkurencyjne z innymi zielonymi energiami, takimi jak energia słoneczna. Należy pamiętać, że wydajność TEG zależy od różnicy temperatur. Podawanie wydajności „10%” bez określenia różnicy temperatur nie ma większego sensu. Dla kilku stopni Celsjusza jako $ \ Delta T $ sprawność jest bliższa 1% niż 10%.

Mając to na uwadze, przydatny parametr związany z wydajnością termoelektryczną materiału, zwany współczynnikiem dobroci lub $ ZT $, który jest równy $ \ frac {\ sigma S ^ 2} {\ kappa} $, gdzie $ \ kappa $ to przewodność cieplna, $ \ sigma $ to przewodnictwo elektryczne, a T to temperatura bezwzględna, daje nam pewne wskazówki, jakie właściwości musi spełniać materiał kandydujący na TEG. Z grubsza rzecz biorąc, materiał musi mieć wysoki współczynnik Seebecka, niską przewodność cieplną i wysoką przewodność elektryczną. W przypadku wielu metali prawo Wiedemanna-Franza obowiązuje i stanowi, że dobre przewodniki elektryczne są również dobrymi przewodnikami ciepła, a zatem nie są dobrymi kandydatami na materiały TEG. Obecnie TEG wykonuje się z elementów półprzewodnikowych typu n i p. W dzisiejszych badaniach naukowcy znaleźli sposoby na poprawę współczynnika ZT do około 2 poprzez kształtowanie materiałów w skali nano (zobacz na przykład ten odnośnik). Temat jest bardzo szeroki i głęboki.

Nie odpowiem na ostatnie pytanie dotyczące ochłodzenia Ziemi, ponieważ jest ono zbyt niezwiązane z pierwszymi pytaniami i może zasługiwać na opublikowanie nowego pytania, jeśli nie zostało jeszcze opublikowane.