Extracción de energía térmica sin motor térmico

"El gas irradiaría lentamente su calor a través del vidrio hacia el contenedor ambiental que alberga la aspiradora, y los paneles solares que recubren esta superficie podrían recolectar esta energía".

No. Si asumimos que el gas en el interior y las celdas en el exterior están a temperatura$T$, entonces no se puede extraer energía (térmica). Estarán en equilibrio térmico. Cualquiera que sea el mecanismo que se le ocurra, será incapaz de extraer energía.

Si asumimos alguna vía que interactúa con la radiación IR para completar una reacción química, entonces, dado que el material está a esa temperatura, es probable que la reacción se desarrolle a la inversa y devuelva la misma radiación al interior.

En tu pregunta ya tienes la respuesta, células fotovoltaicas. No son motores térmicos sino que transforman la radiación electromagnética del cuerpo negro del sol en electricidad. Por supuesto, esto depende del hecho de que las temperaturas del cuerpo negro de las células son mucho menores que las temperaturas del cuerpo negro provenientes del sol.

Como dice @ThePhoton, tenga en cuenta la dirección de las diferencias de temperatura. Para objetos en el rango de temperatura de la tierra, el sistema será completamente ineficiente. Es mejor hervir agua y hacer una máquina de vapor que esperar a que la radiación del cuerpo negro transfiera energía a un panel solar.

Todos los motores tampoco son motores térmicos que cambian una forma de energía a otra (cinética a eléctrica o eléctrica a cinética).

Los motores hidroeléctricos cambian el potencial gravitacional a eléctrico.

Si trabaja con las ecuaciones de una celda solar en detalle, encontrará que la eficiencia máxima posible de una celda solar es una función de la propia temperatura de la celda y de la temperatura de brillo de la radiación de la luz que la golpea. Si las dos temperaturas son iguales, como lo serían en tu dibujo, encontrarás que la eficiencia máxima posible es 0. La celda puede convertir el 0% de la energía luminosa que la golpea en energía eléctrica. Esto es, por supuesto, lo que espera de la Segunda Ley de la Termodinámica. También es consistente con la conservación de la energía, porque la celda solar emite su propia radiación térmica que es igual a la cantidad que recibe.

Ha habido un nuevo enfoque que usted puede considerar. Su pregunta involucra la conversión de energía entre la energía térmica y la energía libre de Gibbs. Dado que las dos son cantidades no conservadas, los cambios en la energía térmica y la energía libre de Gibbs se pueden dividir en dos partes: una son los flujos, la otra son las producciones. Para la energía térmica,$\delta Q$es el flujo de calor, y otro término, la producción de calor proviene de la conversión de energía. Usando$d_iq$denota la producción de calor,$d_eq =\delta Q$denota el flujo de calor, una nueva función de estado puede ser definida por

Dónde$q$denota la energía térmica dentro del sistema. Similarmente. tenemos

Dónde$d_eG$es el flujo de energía libre de Gibbs. y$d_iG$es la producción de energía libre de Gibbs.

En tu caso, tenemos

Para la conversión de energía, la primera ley no involucra el gradiente de temperatura.

La producción de entropía

El motor del proceso es$\Delta(1/T)$, por lo que para la segunda ley se debe considerar el gradiente de temperatura.

Se pueden ver más detalles en el documento.

http://arxiv.org/pdf/1201.4284v5.pdf

La respuesta de Bowlofred es correcta. Puede obtener una idea al estudiar el trinquete browniano de Feynman, un intento de obtener energía del calor usando fluctuaciones estadísticas (Esto también se relaciona con su segundo punto, que la Segunda Ley es de naturaleza estadística). Consiste en una pequeña rueda de paletas y un trinquete, y parece ser un ejemplo de demonio de Maxwell, capaz de extraer trabajo útil de fluctuaciones aleatorias en un sistema en equilibrio térmico en violación de la segunda ley de la termodinámica. El análisis detallado muestra por qué en realidad no puede hacer esto. Una celda fotovoltaica es bastante similar: solo funciona si la mayoría de los electrones están unidos al principio, de modo que luego puedan ser expulsados ​​​​por un fotón.

El mecanismo exacto puede ser complicado, pero el resultado es siempre el mismo: no se puede extraer energía del calor sin un motor térmico que rechace el calor a una temperatura más baja.

Por supuesto, la naturaleza aleatoria del calor significa que podría tener suerte y obtener un flujo neto de un puñado de electrones en la dirección que desee a través de su circuito externo en un período de tiempo determinado. Sin embargo, si desea detectar estos electrones, necesitará un amplificador que use mucha energía.

No hay una respuesta fácil a su pregunta, ya que no define la naturaleza del gas ni la naturaleza de las células.

"Incluso si mi comprensión de la segunda ley es incorrecta, no entiendo por qué no podemos extraer energía térmica de un objeto sin un gradiente de temperatura colocándolo bajo ciertas condiciones. Por ejemplo, la transferencia de calor a través de la radiación infrarroja podría extraerse de un gas de cualquier temperatura, colocado en una esfera de vidrio y aislado del medio ambiente a través de una cámara de vacío:"

En realidad tienes razón. Para poder considerar esto, debe evitar utilizar el modelo de cuerpo negro para su sistema, donde la temperatura de cada cuerpo son los únicos parámetros que definen su intercambio de energía de radiación. En ese caso, el equilibrio es sólo función de las superficies de intercambio relativas y de la temperatura inicial de los cuerpos.

Ahora bien, si consideras, por ejemplo, un modelo de cuerpo gris, debes prestar atención a los coeficientes de absorción, reflexión y transmisión, que son función de la longitud de onda (o frecuencia) y del material considerado (y también de la temperatura... ). En ese caso puedes tomar energía de tu gas y transformarla en electricidad, solo tienes que elegir una combinación correcta de materiales y temperaturas iniciales correctas, de acuerdo con los coeficientes anteriores.