La eficiencia de conversión de los LED supera el 100%.

Question

He leído esto artículo que dice que la eficiencia de conversión del LED ha superado el 100%. Los resultados se publican en Physical Review Letters

En sus experimentos, los investigadores redujeron la potencia de entrada del LED a sólo 30 picowatios y midieron una salida de 69 picowatios de luz, lo que supone una eficiencia del 230%.

¿Cómo es esto posible, no es la violación de la conservación de la energía o me estoy perdiendo algo.

Editar: Me perdí que el LED trabajó como TE enfriador y absorber el calor de la atmósfera para convertirlo en luz. Pero aún así es la observación abrumadora para mí.

¿Es realmente posible que un dispositivo utilice energía térmica para producir luz.

Answer 1

Al parecer, el aparato funciona como una bomba de calor, de la que hago un breve análisis teórico aquí .

En el ejemplo dado, el $P_h=69{\rm pW}$ salida de luz comprende el $W=30{\rm pW}$ aportación de los investigadores junto con $P_c=39{\rm pW}$ de calor que antes había en el chip.

Podemos modelar el proceso por bombeo de calor ideal de la siguiente manera. El calor extraído del chip provocará un descenso de la entropía del chip de $\Delta S_c = -\frac{P_c}{T_c}$ y la luz y la salida al Mundo ambiente aumentan la entropía de este último en $\Delta S_w = \frac{W + P_c}{T_h}$ donde $T_h$ es la temperatura efectiva de la luz (que mide el grado de termalización de ésta junto con su agarre óptico ). Como la luz acaba en el ambiente, su temperatura efectiva es ambiente o superior.

El cambio total de entropía del Mundo es entonces

$$\frac{W}{T_h} + P_c\,\left(\frac{1}{T_h} - \frac{1}{T_c}\right)$$

Sabemos que $T_h>T_c$ porque la temperatura efectiva de "escape" es como mínimo la ambiente y $T_c$ debe terminar siendo menor que esto, porque el calor está siendo bombeado hacia fuera. Así que el segundo término entre paréntesis es negativo: esto significa que debemos suministrar suficiente trabajo $W$ para que al menos la cantidad sea positiva. Así pues, es muy posible que el dispositivo funcione (y probablemente lo haga) como se afirma y cumpla tanto la primera y segundas leyes de la termodinámica.

Answer 2

Dado que el dispositivo está extrayendo calor (energía vibracional) de la red en la que está incrustado el LED, se puede entender la cuestión de la conservación de la energía. La pregunta que realmente debería preocuparte es: "¿viola esto la segunda ley de la termodinámica?". ¿Está aumentando la energía libre total?

Se puede utilizar la refrigeración termoeléctrica, por ejemplo, aprovechando el efecto Peltier para fabricar un dispositivo que enfría una cara y transfiere el calor a la cara opuesta de una placa. Cuando se coloca esto en un entorno de temperatura inicialmente uniforme, la energía libre aparentemente ganada (después de todo, se podría explotar el nuevo gradiente de temperatura mediante un motor Carnot para extraer trabajo) es menor o igual que la energía libre suministrada por la corriente que impulsa el refrigerador. Ciertamente, se puede utilizar esto para calentar el "otro lado" de una placa más de lo que se calentaría utilizando simplemente la corriente en una resistencia.

Del mismo modo, el dispositivo LED está convirtiendo calor por un lado en calor convertido en luz por el otro y está aprovechando la energía libre asociada a la corriente para hacerlo (de modo que la entropía no está disminuyendo.

Answer 3

Al leer el gráfico del papel, cuando la eficiencia es superior al 100%, la temperatura es de 135 grados C (275 F) y la potencia de salida de la luz es baja. Esto me hace pensar, que cuando calientas una barra de acero al rojo vivo, emite luz sin electricidad. Puedes pretender inyectar electricidad en la barra, y su eficiencia es infinita. La energía proviene del ambiente caliente. La energía eléctrica puede jugar un papel como en el circuito amplificador transistor.

Answer 4

Se está calculando mal la eficacia porque omitido ¡la energía que se utiliza para calentar el aparato a 135 grados! Esto es similar a afirmar que un amplificador que toma una señal de entrada de 1 mW y la "convierte" en una señal de salida de 1 W, ¡tiene una eficiencia del 1000%! No tienen en cuenta la energía que se suministra al amplificador. "externo" ¡a la señal!