¿Por qué es mucho más difícil enfriar que calentar?

Question

Estoy tratando de inventar un aparato de destilación que funcione únicamente con electricidad. De repente, me di cuenta de que enfriar las cosas es realmente difícil, mientras que calentarlas es tan fácil.

De hecho, parece que solo hay tres formas de enfriar algo:

1. Módulos Peltier (increíblemente ineficaces)
2. Compresión y expansión de gases (difícil de hacer en casa, el dispositivo es demasiado grande)
3. Algunas reacciones endotérmicas raras, como disolver $KNO_3$ en agua

Sin embargo, mi pregunta no es cómo resolver mi problema. Quiero saber por qué hay opciones de enfriamiento tan limitadas y por qué son tan caras y complicadas.

Para calentar, las opciones son mucho más fáciles:

1. Flujo de corriente (simplemente elige un alambre y una batería)
2. Frotando cosas
3. Quemando/disolviendo ácidos en agua y otras sustancias químicas (si tienes suerte, obtienes tanto calor que no necesitarás más en tu vida)
4. Absorbiendo ondas electromagnéticas

Yo, por mi parte, culpo a la segunda ley de la termodinámica.

Answer 1

Es debido a la segunda ley de la termodinámica. Hay muchos procesos irreversibles que se pueden utilizar para calentar algo. Es el flujo natural de las cosas porque la entropía aumentará en sistemas aislados, y gran parte de la energía interna de los objetos se puede disipar como calor (y este calor se utiliza para calentar algo que está más frío). Sin embargo, para enfriar algo, es necesario realizar un trabajo para disminuir la entropía del subsistema. Existe una eficiencia máxima para que el trabajo se utilice para enfriar algo al eliminar calor de una fuente a una temperatura más baja y moverlo a una fuente a una temperatura más alta. Por lo tanto, ambos procesos, calentar y enfriar, no son simétricos en nuestro universo con una flecha termodinámica del tiempo.

Answer 2

Podrías culpar a las leyes de la termodinámica y decir que enfriarse es mucho más difícil en nuestro universo debido a ellas. Sin embargo, dado que estamos en un universo dominado por energía oscura que se expande y se enfría, parece que en general el enfriamiento es más fácil para el universo en las escalas más grandes.

Incluso en escalas más pequeñas, el enfriamiento suele ser más fácil (por supuesto he determinado la facilidad observando cuál ocurre más a menudo). Los núcleos de los planetas se enfrían y se endurecen con el tiempo, las estrellas agotan su combustible y se enfrían a medida que mueren. El enfriamiento es, con mucho, el proceso más fácil. Incluso cuando el universo llegue a una muerte térmica (si es que alguna vez lo hace), la expansión continuará enfriándolo a temperaturas más bajas. Así que, definitivamente, el enfriamiento es más fácil para el universo.

Entonces, ¿por qué no es más fácil el enfriamiento para nosotros? Bueno, la respuesta podría deberse a la termodinámica. Podría ser que en escalas cortas de tiempo y distancia, sea más fácil calentar que enfriar, pero permíteme presentar una razón más antropológica.

A lo largo de la historia humana, siempre hemos luchado por realizar tareas. Queremos construir edificios, cultivar cosechas, iluminar nuestros hogares. Todas estas tareas requieren que gastemos o utilicemos energía. Por lo tanto, hemos inventado sistemas y procesos brillantes para generar energía fácil de usar y canalizarla donde la necesitamos. Nos hemos vuelto muy hábiles en tomar energía de algunas fuentes comunes y depositarla donde queremos. Y, como todos sabemos, poner energía en un objeto es más o menos lo mismo que aumentar su temperatura. Por lo tanto, para nosotros, aumentar la temperatura de algo no es problema. Generalmente es lo que hacemos. Sin embargo, para disminuir la temperatura de un objeto, necesitas quitarle energía. Sin embargo, a excepción de esas pocas fuentes específicas, no somos muy hábiles para sacar energía de algo. Eso nunca ha sido tan necesario en la historia porque generalmente, cuando quitas energía, se hace más difícil realizar tareas. ¿Cuál sería el punto de hacerlo más difícil? Por lo tanto, confiamos principalmente en procesos naturales para eliminar la energía de los sistemas. Pero a diferencia de los procesos que inventamos, los procesos naturales generalmente intentan llevar las temperaturas al equilibrio térmico. Claro, inventamos la refrigeración y encontramos algunas reacciones endotérmicas para explotar. Pero, en última instancia, estamos mucho más interesados en poner energía en las cosas (ordenadores, luces, sistemas de calefacción, cualquier cosa que requiera electricidad) que en sacarla.

Puede ser simplemente el caso de que mientras el universo encuentra el enfriamiento más fácil, nosotros hemos puesto mucho más esfuerzo en descubrir cómo calentar las cosas, así que eso es más fácil para nosotros.

Answer 3

Permíteme ofrecer una perspectiva diferente sobre esto. Enfriar no es universalmente más difícil que calentar. Para demostrar esto, considera lo siguiente:

Supongamos que tienes dos bloques de cobre de 1 kg, uno a 200 K y otro a 400 K. Ponlos en contacto directo y sélalos en una caja vacía perfectamente aislada (sin transferencia de calor desde las paredes). El bloque de 400 K se enfriará a 300 K tan fácilmente como el bloque de 200 K se calienta a 300 K. [Nota: La temperatura final de 300 K se basa en la suposición simplificadora de que la capacidad de calor del cobre es independiente de la temperatura entre 200 K y 400 K.]

Pero, podrías protestar, ¿no hay muchas instancias en las que enfriar es más difícil, por ejemplo, enfriar vs. calentar una casa? La respuesta es sí. Pero entonces, ¿qué distingue el ejemplo que he ofrecido de aquellos que te preocupan? La diferencia es que te estás refiriendo específicamente a casos en los que la energía potencial (PE) (típicamente energía eléctrica) se usa para calentar o enfriar.

Dado esto, sugeriría que tu pregunta sea refinada de la siguiente manera: ¿Por qué es más difícil usar PE para enfriar que para calentar? Ahora puedo darte una respuesta:

PE puede convertirse en energía térmica sin pérdidas, logrando así el calentamiento directamente con una eficiencia del 100%. Por ejemplo, puedo convertir toda la energía eléctrica en energía térmica usando una resistencia. [Esto ignora las pérdidas al introducir la PE en tu sistema, por ejemplo, pérdidas resistivas en la transmisión eléctrica.]

Sin embargo, PE no puede convertirse directamente en la extracción de energía térmica. En cambio, para usar PE para enfriar se requiere hacer funcionar algún tipo de motor de calor. Y, según la 2ª ley de la termodinámica, incluso un motor de calor perfecto no puede ser 100% eficiente. Además, todos los motores de calor del mundo real funcionan disipativamente y, por lo tanto, serán aún menos eficientes que un motor de calor perfecto.

Entonces, en resumen, si estás hablando de la conversión de PE a calentamiento vs. enfriamiento, la diferencia es que lo primero se puede hacer directamente, con una eficiencia del 100%, mientras que lo segundo siempre requiere pasar por algún tipo de motor de calor, con pérdidas significativas (y también [con algunas excepciones, como un refrigerador Coolgardie] una complejidad de ingeniería significativamente mayor).

Answer 4

La tasa de transferencia de calor depende de la diferencia de temperatura entre objetos, y la transferencia de calor siempre es de alta temperatura a baja temperatura. Cuando se calienta algo con una llama, la diferencia de temperatura entre la llama y el objeto de baja temperatura puede ser fácilmente de 1000 grados C, por lo que la tasa de transferencia de calor es alta. Al enfriar algo, la diferencia de temperatura entre el objeto de alta temperatura (por ejemplo, agua hirviendo) y el objeto de baja temperatura (por ejemplo, hielo) suele ser baja (en este caso, 100 grados C). Por lo tanto, es apropiado especificar una diferencia de temperatura fija entre objetos antes de decidir que es fácil calentar las cosas pero difícil enfriarlas, ya que una afirmación sin calificadores tiende a "comparar peras con manzanas".

Answer 5

Es porque el calentamiento y el enfriamiento ocurren debido a diferentes fenómenos físicos. Considera la siguiente ecuación:

$\partial T/\partial t =c \nabla^2 T + H(x,t, T)$

Donde $H(x,t)$ es el calentamiento externo. Este es el término fuente. El enfriamiento sería un proceso difusivo pero el calentamiento podría ser no lineal. En muchos casos $H(x,t) >> c \nabla^2 T$ y por lo tanto el calentamiento es más rápido.

Esta ecuación también nos dice que lo que estás insinuando puede que no sea cierto en todos los casos. Si $H(x,t) << c \nabla^2 T$, el enfriamiento será más rápido. Así que depende del régimen de parámetros.