¿La energía transferida a un sistema en forma de calor se puede ahorrar completamente como energía mecánica del sistema?

Si se transfiere energía a un sistema (como calor o trabajo) y no hay transferencia de energía desde este sistema, entonces la energía transferida al sistema se guardará como una de las formas de energía del sistema, es decir, aumentará la energía del sistema. sistema (que puede ser energía térmica, energía mecánica, energía química, etc.). Si la transferencia de energía fue como trabajo, entonces esto se puede ahorrar por completo como energía mecánica del sistema o como energía térmica del sistema (no consideraremos otra energía del sistema). Pero si la transferencia de energía fue en forma de calor, entonces esta se puede guardar por completo como energía térmica del sistema, pero la energía transferida no se puede guardar por completo como energía mecánica. ¿Es este el caso o la energía completa transferida al sistema como calor también se puede ahorrar como energía mecánica del sistema? (Como la energía mecánica se puede cambiar completamente para trabajar fácilmente).

Sin ofender 1, pero ¿qué dice la segunda ley? Sin ofender 2, los párrafos facilitarían la lectura.
Depende de lo que defina como incluido en su sistema.

Respuestas (1)

Cada tipo de energía está asociada con una cierta cantidad de entropía. Por ejemplo, la energía mecánica, la electricidad y la luz láser tienen baja entropía. Otros tipos de energía no están "libres de entropía", especialmente la energía térmica.

La entropía puede aumentar, pero no puede disminuir durante el proceso de conversión de un tipo de energía a otro. Puede convertir un tipo de energía de baja entropía a otro y viceversa con pérdidas técnicas mínimas, porque este proceso no cambia conceptualmente la entropía del sistema. Por ejemplo, puede convertir la electricidad en energía mecánica y viceversa con pocas pérdidas, como en los coches eléctricos híbridos.

También puede convertir una energía de baja entropía en una energía de alta entropía. Por ejemplo, un calentador eléctrico convierte la electricidad en calor al 100%. De la misma manera, la fricción convierte la energía mecánica en calor al 100%.

Sin embargo, no se puede convertir el 100 % de una energía de alta entropía, como el calor, en una energía de baja entropía, como la electricidad o la energía mecánica. Esto contradiría la ley del aumento de entropía. La cantidad total de entropía en el sistema no debe disminuir. Por esta razón, la eficiencia de tal conversión sería limitada. Por ejemplo, la eficiencia de un motor de combustión interna en los automóviles es solo del 40% y el resto solo calienta el aire exterior.

Entonces, para responder a su pregunta, podemos almacenar la energía térmica en un objeto calentado aislado, pero no podemos convertir completamente el calor en energía mecánica. De acuerdo con el teorema de la termodinámica de Carnot , la eficiencia máxima de una máquina térmica es:

η = 1 − T C T h

Dónde T C es la temperatura del ambiente y T h es la temperatura del calentador.

Ver Eficiencia de Conversión Energética y Eficiencia Térmica

Canceló el voto negativo anónimo. Pero se requiere alguna aclaración en su respuesta. Por ejemplo, ¿cuál es la entropía asociada con "... energía mecánica, electricidad y luz láser..."? Además, la afirmación "... no puede convertir el 100% de una energía de alta entropía, como el calor, en una energía de baja entropía..." será correcta solo cuando agregue que no se produce ningún aumento en la entropía en otro lugar. Por la misma razón "... la cantidad total de entropía en el sistema no debe disminuir..." debe tener "universo" en lugar de "sistema".
@Deep ¡Muchas gracias! Por supuesto, mi respuesta no es una tesis física, sino simplemente expresada en términos prácticos para que la entienda un profano. Estoy de acuerdo con todos sus puntos y creo que mi respuesta no contradice ninguno de ellos. Mi punto principal es que la energía mecánica, la electricidad y la luz coherente son las fuentes de energía que son esencialmente libres de entropía, por lo que idealmente podría convertir una a otra sin pérdida. Sin embargo, en realidad, siempre hay fricción y resistencia eléctrica, y la coherencia de la luz es limitada, por lo que ocurre cierto aumento de entropía durante la conversión. [Continuado]
@Deep... [Continuación] Así que espero que esto responda a tu primer comentario. En tu segundo comentario, no estoy muy seguro de lo que quieres decir. La eficiencia de una máquina de vapor no puede ser del 100% (a menos que esté a la temperatura del cero absoluto, lo cual no es práctico) sin importar dónde esté el aumento de entropía, ¿no? Incluso di la fórmula de Carnot. En el último punto, me refiero a un sistema cerrado, por supuesto. Aunque para los propósitos de esta pregunta, el punto parece suficientemente claro de que el calor tiene entropía mientras que la electricidad esencialmente no la tiene, por lo que convertir el calor al 100% en electricidad sería una disminución obvia de la entropía.
@safesphere Considerar el calor como la transferencia de energía de baja calidad y el trabajo como la transferencia de energía de alta calidad responde a mi pregunta. Gracias. Por lo general, en la literatura, tanto el calor como el trabajo se dan como medios de transferencia de energía. El calor transferido a un sistema (llámelo sistema A) es como la energía térmica transferida desde otro sistema (llámelo sistema B) a este sistema (sistema A) ..y [Continuación]
[Continuación] por lo que puede aumentar la energía térmica del sistema A por la cantidad de energía transferida, espontáneamente, pero no puede aumentar otras formas de energía del sistema A, espontáneamente. Entonces, en resumen, la energía transferida como calor solo puede aumentar la energía térmica del sistema.
@safesphere: esta respuesta sería correcta al considerar un proceso cíclico. Si la transferencia de energía como calor se hiciera a un sistema que experimenta un proceso isotérmico reversible, todo el calor transferido podría guardarse como energía mecánica (ya que todo el calor transferido se convertiría en trabajo). Aquí la generación de entropía sería cero. ¿Me equivocaría al decir esto?
Un proceso isotérmico reversible mantiene la temperatura constante. Entonces (1) ¿cómo transferiría calor sin cambiar la temperatura y (2) cómo convertiría el calor en energía mecánica sin cambiar la temperatura? Supongo que mi punto es principalmente práctico. En los autos híbridos, la energía mecánica y la electricidad se convierten constantemente entre sí con pérdidas mínimas, pero con los motores de gasolina obtenemos como máximo el 40 % de lo que pagamos y el resto del calor solo sale de una manera para calentar el aire exterior. sin una buena manera de recuperar esta energía.
¿Puede dar una referencia para "Cada tipo de energía está asociada con una cierta cantidad de entropía". , o al menos explicar de dónde se supone que proviene esta asociación en la física estadística estándar?
@ACuriousMind Sabía que no era la mejor manera de expresar la idea, pero, de nuevo, me cuesta imaginar que un tipo inteligente como tú no sepa de lo que estoy hablando. ¿Qué es la entropía? ¿Un logarifmo del número de estados en el sistema? Algo así, ¿no? Entonces, si tienes un cuerpo en movimiento, ese es un estado, la entropía es cero. Pero si tienes un montón de cuerpos en movimiento, como moléculas de gas, entonces la entropía está lejos de ser cero. ¿Qué hay de malo en este argumento? Si puede pensar en expresar esto mejor, ¿por qué no ayuda a mejorar la respuesta en lugar de gastar 20k de su reputación en votar negativamente a otros?
El punto es que la entropía es el número de microestados asociados a un macroestado particular de un sistema estadístico. Tener un montón de partículas no es suficiente, no es necesario saber ni preocuparse en qué estado se encuentra exactamente cada partícula para tener una noción de entropía. El único sentido en el que puedo ver que los "tipos de energía" se asocian con una entropía baja/alta es si aumentar ese tipo de energía para el macroestado aumenta la cantidad de microestados disponibles o no,
pero realmente no he visto que se haga esta distinción en la mecánica estadística, y no es obvio para mí que la correspondencia entre los tipos de energía y la entropía baja/alta sea como usted dice. En particular, el calor no es una función de estado: entre dos estados con diferencias de entropía fijas, hay procesos que requieren más o menos calor que los demás para completarse, pero la diferencia de entropía resultante sigue siendo la misma, por lo que ni siquiera puedo confirmar intuitivamente especie de asociación plausible de la energía térmica a la alta entropía.
@ACuriousMind Estoy de acuerdo en que tampoco podría escribir una fórmula, pero para cualquier propósito práctico de la vida real (aparte quizás de configuraciones científicas elaboradas), el calor es una energía de alta entropía, mientras que la electricidad y la mecánica son prácticamente sin entropía tipos de energía. Esta es exactamente la razón por la que tenemos automóviles híbridos y bombas de calor junto con motores de gasolina de baja eficiencia, cosas de la vida real que las personas no pueden entender sin comprender la diferencia de entropía entre los diferentes tipos de energía. Y también por qué una celda de combustible de hidrógeno es mejor (sin calor) que simplemente quemar hidrógeno como gasolina.
¿La energía transferida a un sistema en forma de calor se puede ahorrar completamente como energía mecánica del sistema?
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