¿Puedo aprovechar el calor del aire y convertirlo en electricidad?

Question

Es un día de verano y el aire de mi casa se ha calentado. Podría encender el aire acondicionado, pero entonces estaría utilizando energía de la red para reducir la cantidad de energía de mi casa.

Lo que yo preferiría es captar la energía térmica del aire, enfriándolo, y convertir esa energía térmica en electricidad. (Así podría almacenarla en una batería o venderla a la red o utilizar algún otro medio para deshacerme de ella).

¿Es posible un aparato así dentro de nuestra comprensión actual de la naturaleza? ¿Por qué sí o por qué no?
(Supongo que no, ya que habría gente vendiendo kits).

Sólo para adelantarme a una posible respuesta: He visto conversaciones similares en el pasado y "ineficaz" se ha dado como respuesta a por qué no. No lo entiendo como una objeción, porque la energía calorífica es efectivamente gratuita. El sol fue groseramente y me dio una cantidad excesiva de energía calorífica sin que se lo pidiera. ¿Es realmente tan ineficiente convertir el calor en electricidad que sería mejor utilizar el aire acondicionado?

Answer 1

Para construir cualquier motor térmico como el que imaginas, necesitas un depósito frío y otro caliente, de forma que el calor pueda fluir de la parte caliente a la fría y la entropía no disminuya mientras produces energía.

La eficiencia de una máquina de este tipo tiene un límite superior de $(T_{\textrm{hot}} - T_{\textrm{cold}})/T_{\textrm{cold}}$ (dado por el motor de Carnot perfecto).

Dado que normalmente se está bien cuando se recibe una reserva fría de $T_{\textrm{cold}} = 290\textrm{ K}$ en un caluroso día de verano ( $T_{\textrm{hot}} = 320\textrm{ K}$ la eficiencia de su máquina tiene un superior límite del 10%, lo que no no incluyen necesariamente las pérdidas debidas a la fricción, la resistencia eléctrica, el aire que se escapa, etc. Si se incluyen, se obtiene (probablemente) bastante menos del 1%. Pero, por el bien del argumento, sigamos con una eficiencia supuesta del 10%.

Lo que quieres saber a continuación es el calor máximo que puedes transferir de tu depósito caliente a tu depósito frío. Para simplificar, supondremos que el depósito frío es muy grande y permanece a una temperatura constante, el calor fluye entonces del depósito caliente al frío siempre que $T_{\textrm{hot}} > T_{\textrm{cold}}$ . La energía térmica de la que dispone es $W = c_V \times \delta T \times N \times 10\%$ donde $\delta T = 30 \textrm{ K}$ es la diferencia de temperatura, $N$ es la masa/número de aire (partículas) y $c_V$ es la capacidad calorífica.

Para aire a nivel del mar, Wikipedia me da $c_V \approx 29 \textrm{ J}\textrm{K}^{-1}\textrm{mol}^{-1}$ (Utilizo la de presión constante, ya que no podemos comprimir el aire sin hacerle trabajar más). A continuación, voy a suponer que tiene un realmente casa grande de $10 \times 10 \times 10 \textrm{m}^3 = 10^6 \textrm{ L } \hat{=} 4.27 \times10^4 \textrm{ mol} = N$ donde la penúltima igualdad se deriva del hecho de que hay cerca de $6.02 \times 10^{23}$ partículas en aproximadamente $23 \textrm{ L}$ . Genial, ¡ya podemos calcular W!

$$ W = 1.03 \textrm{ kWh } \hat{=} 21 \textrm{ cent}$$

donde la última igualdad es una cifra que tengo por ahí sobre los precios de la electricidad en Alemania durante el verano de 2011.

En conclusión: Incluso suponiendo que de algún modo consiguieras construir un motor Carnot perfecto utilizando el calor del aire de tu casa y encontraras un depósito mágico de temperatura constante (alguna parte de la Tierra, posiblemente), le sacarías unos 20 euros al año (cuatro meses de alta temperatura y una "carga" al día).

En realidad, basta con poner células solares en el tejado y un aislamiento adecuado en las paredes. ☺

Answer 2

Me gusta la respuesta de Claudio. Para reiterarlo de forma concisa, si pudieras coger el calor del interior de tu casa y convertirlo directamente en electricidad, se violaría el segunda ley de la termodinámica y equivaldría a crear movimiento perpetuo .

Aunque es casi seguro que tal dispositivo es imposible, los detalles de por qué lo es pueden ser sutiles. Un famoso intento de hacer algo parecido a lo que le interesa es Demonio de Maxwell .

Ya que estás buscando una explicación intuitiva de por qué no se puede simplemente convertir el calor en electricidad (sin utilizar un disipador de frío como la gente ha mencionado), la mejor explicación intuitiva que conozco es el "trinquete y trinquete" ejemplo de las conferencias de Feynman. Por desgracia, no puedo encontrar el original de Feynman en línea, pero el artículo de Wikipedia tiene un resumen decente. (Quizá quieras hacer clic para leer el contexto).

Aunque a primera vista el trinquete browniano parece extraer trabajo útil trabajo del movimiento browniano, Feynman demostró que si todo el dispositivo está a la misma temperatura, el trinquete no girará continuamente en una dirección, sino que se moverá aleatoriamente hacia adelante y hacia atrás, y por lo tanto no producirá ningún trabajo útil. Una forma sencilla de visualizar cómo podría fallar la máquina es recordar que el trinquete experimentará un movimiento browniano. Por lo tanto, el trinquete fallará intermitentemente permitiendo que el trinquete se deslice hacia atrás o no hacia delante. Feynman demostró que si la temperatura del trinquete y del trinquete es la misma que la temperatura de la paleta, entonces la tasa de fallo debe ser igual a la tasa a la que el trinquete trinquete avanza, de modo que no se produce ningún movimiento neto durante largos en periodos suficientemente largos o en un sentido de conjunto promediado. 2 Un sencillo pero prueba rigurosa de que no se produce ningún movimiento neto, independientemente de la forma de los dientes. dientes fue dada por Magnasco.

Answer 3

Se puede operar un aire acondicionado solar w con la electricidad de los paneles solares. . Hay varios métodos en el artículo , algunos pasivos.

También hay bombas de calor geotérmicas que podría combinarse con paneles solares para disponer de un sistema de aire acondicionado/calefacción totalmente independiente de la red eléctrica.

Answer 4

Desde la semana pasada, los científicos han creado un material termoeléctrico que aumenta su eficiencia hasta el 15-20%. Todavía no es suficiente para calentar o enfriar la casa, pero me da esperanzas de que algún día, en el futuro, tengamos materiales tan buenos y baratos que podamos construir nuestras casas y coches con ellos. Puede que no podamos utilizar el calor del interior de la casa para enfriarla, pero sí podemos aprovechar la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior para generar electricidad y mantener la casa caliente o fría. Como tú, espero que algún día utilicemos muy poca energía de la red.

En cuanto a la tecnología actual, tenemos ventanas que pueden calentar y enfriar nuestras casas si están orientadas al sol, como se explica aquí: http://www.chelseagreen.com/content/celebrate-the-winter-solstice-by-using-windows-to-heat-your-home/

Answer 5

El calor es algo que existe SÓLO cuando hay una diferencia de temperatura. El calor es una energía que fluye. Sientes calor por la diferencia entre la temperatura de tu cuerpo y la temperatura atmosférica. No puedes utilizar el calor entre las MISMAS temperaturas atmosféricas.

Un método sería aumentar la temperatura mediante paneles solares y almacenar la energía en baterías o de otra forma, como utilizar esta energía en una reacción química continua y luego almacenar el gas "útil" en un cilindro presurizado.