Conversión de calor en energía mecánica

¿Puede un objeto convertir el calor del aire que lo rodea en energía mecánica para acelerarse a sí mismo?

Solo si el motor contiene un depósito de calor a una temperatura más baja que el aire circundante (e incluso entonces, solo por un período de tiempo limitado). Por ejemplo, podría contener un tanque de líquido frío con un punto de ebullición bajo, usar el calor atmosférico para hervir este líquido y usar el vapor en expansión para mover pistones, ruedas motrices, etc. (básicamente una máquina de vapor de baja temperatura).

Sin un depósito de calor a baja temperatura, esto rompería la segunda ley de la termodinámica. Específicamente, contradiría el enunciado de Kelvin-Planck de la segunda ley que dice

Es imposible diseñar una máquina térmica que funcione cíclicamente, cuyo efecto sea absorber energía en forma de calor de un solo depósito térmico y entregar una cantidad equivalente de trabajo

¿Puede un objeto convertir el calor del aire que lo rodea en energía mecánica para acelerarse a sí mismo?

Sí, el objeto (máquina térmica) teóricamente puede convertir completamente el calor en energía mecánica en un proceso . Un ejemplo es el proceso de expansión isotérmica reversible en el ciclo de Carnot.

Pero la máquina térmica no puede convertir completamente el calor en energía mecánica mientras opera en un ciclo . Eso violaría la siguiente declaración de Kelvin-Planck de la segunda ley (énfasis mío en negrita):

Ningún motor térmico puede operar en un ciclo mientras transfiere calor con un solo depósito

Para satisfacer la segunda ley, una parte del calor tomado del aire tendría que ser expulsado a un ambiente de temperatura más baja. La máxima eficiencia de ciclo posible es la del ciclo de Carnot.

En otras palabras, la nave tomaría aire circundante compuesto de moléculas de velocidad aleatoria y luego expulsaría el gas en una dirección más unificada para que acelere en la dirección opuesta.

Lo que está describiendo aquí no es convertir calor en energía mecánica como indicó inicialmente en la primera oración. El calor sería la transferencia de energía del aire al objeto debido a la diferencia de temperatura. Lo que estás describiendo es la transferencia de masa (aire) al objeto y el objeto de alguna manera toma la energía cinética interna de las moléculas de aire y la usa para impulsar el objeto. El problema es que no ha descrito un mecanismo para hacerlo y debería hacerlo.

Espero que esto ayude.

Lo que ha descrito es una variación del demonio de Maxwell que fue propuesta por el físico James Clerk Maxwell en 1867. Citando de Wikipedia :

En el experimento mental, un demonio controla una pequeña puerta sin masa entre dos cámaras de gas. A medida que las moléculas de gas individuales (o átomos) se acercan a la puerta, el demonio abre y cierra rápidamente la puerta para permitir que solo las moléculas de movimiento rápido pasen en una dirección, y solo las moléculas de movimiento lento en la otra. Debido a que la temperatura cinética de un gas depende de las velocidades de sus moléculas constituyentes, las acciones del demonio hacen que una cámara se caliente y la otra se enfríe. Esto disminuiría la entropía total de los dos gases, sin aplicar ningún trabajo, violando así la segunda ley de la termodinámica.

En su caso, si fuera posible, la diferencia de temperatura entre las dos cámaras podría impulsar un motor térmico y, digamos, una hélice. Sin embargo, el artículo de wikipedia citado también menciona un artículo de 2006 que describe el uso de un láser para clasificar moléculas:

el proceso requiere más energía de los rayos láser de la que podría producir la diferencia de temperatura generada.

por lo que no se violan las leyes de la termodinámica.