¿Se puede extraer energía de cosas "calientes" sin un diferencial de temperatura?

Question

He estado leyendo sobre la extracción de energía del calor, en particular de los motores Sterling. Siempre hay un gradiente de temperatura. El calor fluye del lado caliente al lado frío a través del fluido de trabajo. Cuando el diferencial de temperatura se aproxima a cero, el motor se para.

Mi pregunta es: ¿por qué necesitamos un diferencial de temperatura? Más en general, ¿por qué utilizamos energía para enfriar las cosas? Tomemos un galón de agua a 50 grados C. El agua tiene un calor específico de 4,18JdegC/g. Ignorando el calor de fusión y siguiendo Q = CMdT, sólo por el hecho de estar "caliente" (323 grados C por encima del cero absoluto), ¿no "contendría" el agua 3780 * 4,18 * 323 = 5104 kJ de energía (3780 gramos por galón de agua)? ¿Por qué no se podría extraer parte de esta energía como trabajo y como resultado de extraer la energía el agua se enfría (cede energía, por cada 3780 * 4,18 J extraídos debería bajar 1 grado C). Estoy imaginando el agua calentada (o cualquier cosa calentada por encima de abs cero) como un sumidero de energía o batería. Teóricamente deberías poder extraer 5104 kJ de energía de este galón de agua a 50 grados C.

En el motor Sterling podríamos bajar el lado frío con nitrógeno líquido, pero se necesita energía para hacerlo. En un sistema de aire acondicionado gastamos energía para bajar la temperatura de la habitación. Puesto que el "frío" es la ausencia de "calor" o energía, ¿enfriar las cosas no debería crear energía para nosotros (las cosas calientes que antes tenían energía impartida en ellas ceden su energía para hacerlas funcionar)? Parece un despilfarro desperdiciar el calor en calentar algo a una temperatura diferencial más baja, como el lado frío del motor Sterling o el aire ambiente junto al condensador.

Answer 1

El ideal

El principal problema es que todas las tecnologías actuales parecen malgastar cierta cantidad de energía en desplazar parte de la energía térmica de A a B. Si no existiera esta ineficacia, obtendríamos en cierto sentido energía "gratuita", ya que podríamos desplazar y concentrar una cantidad arbitrariamente grande de energía de un material en un espacio finito, y luego utilizar las leyes de la termodinámica para alimentar (por ejemplo) un motor stirling. Ojalá existiera una estructura que, de forma natural y sin aporte de energía, pudiera hacer que un lado estuviera frío y otro caliente. Sin embargo, esto nos lleva a una contradicción.

La contradicción

Debido a la segunda ley de la termodinámica y a la conservación de la energía Esto es imposible. Ya que tener una "estructura" perfecta que pueda transferir calor de A a B violaría estas leyes. Se requiere que la energía se ponga en el sistema para realizar realmente el desplazamiento. Por lo tanto, incluso si dicho sistema es 100% eficiente, la energía todavía se pone en el sistema de tal manera que nunca se gana energía "libre".

Como referencia (2ª Ley de Th.) ( wikipedia )

Cuando dos sistemas inicialmente aislados en regiones separadas pero cercanas de espacio, cada uno en equilibrio termodinámico consigo mismo pero no pero no necesariamente el uno con el otro, se les permite interactuar. alcanzarán un equilibrio termodinámico mutuo. La suma de los entropías de los sistemas inicialmente aislados es menor o igual que la entropía total de la combinación final. La igualdad se produce justo cuando los dos sistemas originales tienen todas sus respectivas variables intensivas (temperatura, presión) iguales; entonces el sistema final también tiene los mismos valores.

Una ley

Por desgracia, la pregunta es difícil de responder:

Mi pregunta es: ¿por qué necesitamos un diferencial de temperatura?

La razón es que una ley hace imposible lo contrario. Una ley en física y matemáticas no equivale necesariamente a un teorema o teoría. Sólo afirma "tal cosa es así", mientras que una teoría explicaría realmente "por qué tal cosa es así".

Answer 2

Puede ser posible utilizando fracción fría de un tubo de vórtice. Utilizar la fuente de calor para hervir el agua; utilizar el tubo de vórtice para separar el vapor en vapor más caliente y vapor más frío; utilizar el vapor más caliente para sustituir la fuente de calor original. Así, la masa de agua original produce algo de energía cinética y pierde mucha energía térmica. Se necesitaría una fuente de calor externa temporal, pero se recuperaría esa energía y algo más si la reacción en cadena consumiera suficiente agua.