Movimiento browniano moviendo nano/micro bobinas dentro de un campo magnético

Después de la configuración experimental.

Tomamos bobinas de cobre que son lo suficientemente pequeñas como para estar sujetas al movimiento browniano. Combinamos esas bobinas con algún otro material para que sean tan pesadas como el líquido en el que las sumergimos (mismo peso por volumen) para que no se acumulen en la parte superior o inferior del líquido, sino que se distribuyan uniformemente.

Mediante imanes permanentes creamos un campo magnético estático en las proximidades del líquido.

Cuando las bobinas se mueven aleatoriamente a través del movimiento browniano dentro del líquido, ¿no induciría esto alguna corriente? ¿No se parecería esto básicamente a un freno magnético que daría como resultado el enfriamiento del líquido? ¿Un refrigerador que funciona sin ninguna fuente externa, aparte de la energía de las partículas que se mueven al azar y empujan las bobinas al azar?

Como beneficio adicional, uno podría imaginar usar la corriente a la que están sujetas las bobinas cuando se mueven a través del campo magnético de una manera que haría que emitieran algunas ondas electromagnéticas en el espectro de la luz visible. Posiblemente permitiéndonos ver un resplandor en una habitación oscura.

Dado que esto probablemente violaría la segunda ley de la termodinámica, y no podemos tener eso, mi pregunta es, ¿qué parte de este experimento no funcionaría como lo imagino?

Tenga en cuenta que este experimento se propuso al revés, en el que preferiríamos usar nanoimanes que se mueven a través del movimiento browniano, pero se agruparían en un imán más grande, así que solo estaba pensando que en lugar de mover imanes, uno podría simplemente mover bobinas a través de un campo magnético si se pudieran construir bobinas tan pequeñas en el rango de tamaño nano/micro.

Esto es casi idéntico a otra pregunta publicada anteriormente .

Respuestas (2)

Cuando las bobinas se mueven aleatoriamente a través del movimiento browniano dentro del líquido, ¿no induciría esto alguna corriente?

Sí.

¿No se parecería esto básicamente a un freno magnético?

Teniendo en cuenta el hecho de que el cobre tiene una resistencia distinta de cero, entonces la energía térmica del agua hace que las bobinas se muevan, esto provoca una corriente inducida, y esta corriente se disipa como calor en las bobinas (ver Calentamiento Joule ) . En otras palabras, la energía térmica del líquido se convierte en calor en las bobinas de cobre. Así que sí, hay una acción de frenado, pero...

lo que resultaría en el enfriamiento del líquido?

No. El flujo de calor va en ambas direcciones, del agua al serpentín y del serpentín al agua.

A medida que la bobina se calienta, todavía está en contacto con el agua, por lo que, por supuesto, si la temperatura del cobre fluctúa por encima de la del agua, entonces obtenemos un flujo de calor neto del cobre al agua, manteniendo todo en equilibrio.

De hecho, incluso si imagina cables aislados térmicamente que no pueden conducir el calor al agua, todavía no consigue enfriar el agua. Para disipar la energía eléctrica en forma de calor, las bobinas necesitan cierta resistencia. Resulta que las resistencias a cualquier temperatura distinta de cero producen ruido eléctrico . Este ruido eléctrico haría que las bobinas se movieran, agitando así el agua y calentándola hasta que las bobinas y el agua estén a la misma temperatura.

¿Un refrigerador que funciona sin ninguna fuente externa, aparte de la energía de las partículas que se mueven al azar y empujan las bobinas al azar?

No. Ver punto anterior.

Como beneficio adicional, uno podría imaginar usar la corriente a la que están sujetas las bobinas cuando se mueven a través del campo magnético de una manera que haría que emitieran algunas ondas electromagnéticas en el espectro de la luz visible. Posiblemente permitiéndonos ver un resplandor en una habitación oscura.

Claro, podríamos manipular algo para que las corrientes inducidas causen radiación, pero eso no cambia nada. Si el ambiente circundante fuera más frío que el agua y las bobinas, entonces la radiación saldría y calentaría ese entorno. Mientras tanto, los alrededores emiten su propia radiación porque están a una temperatura distinta de cero, y nuevamente, una vez que todo está a la misma temperatura, los flujos de energía entre todos los elementos están exactamente equilibrados. Entonces, mientras que las bobinas pueden "brillar", los alrededores también "brillan" directamente en las bobinas y aún no tienes un refrigerador mágico.

Dado que esto probablemente violaría la segunda ley de la termodinámica, y no podemos tener eso, mi pregunta es, ¿qué parte de este experimento no funcionaría como lo imagino?

Bueno a revisar:

  1. Los materiales con resistencia crean ruido eléctrico, por lo que las bobinas calientan el agua al igual que el agua calienta las bobinas.

  2. Incluso la radiación de fondo tiene una temperatura y, si esperas un rato, todo lo que puede irradiarse entre sí termina con la misma temperatura.

"Entonces, si bien las bobinas pueden "brillar", los alrededores también "brillan" directamente en las bobinas y aún no tienes un refrigerador mágico". Digamos que usted tiene razón y el limón está equivocado. ¿No tendrías una bombilla mágica todavía? ¿Por lo tanto, convirtió el movimiento browniano en alguna energía/trabajo útil?
Al volver a leerlo, parece estar diciendo que en realidad hay un efecto de enfriamiento que, sin embargo, es contrarrestado igual o más rápido por el medio ambiente que devuelve calor al agua. ¿Qué pasaría si hiciéramos que las bobinas emitieran alguna frecuencia que calentara perfectamente un determinado objeto/líquido y usáramos algún sistema de tubería de calor para transportar el calor fuera de la habitación protegida térmicamente? ¿No enfriaría eso toda la habitación?
@pZombie ¿Adónde va tu "tubo de calor"? Si el otro extremo de la tubería no está a la temperatura cero absoluta, entonces está entrando calor desde ese otro extremo. Si la temperatura del otro extremo es la misma que la del agua y las bobinas, entonces el flujo de calor que sale de la tubería es igual al flujo de calor que entra desde el extremo de la tubería. No puedes evitar esto. Cuando conecta dos sistemas, siempre intercambiarán calor. Cuando sus temperaturas son iguales, el calor entrante y saliente hacia y desde cada sistema es igual.
@pZombie Con respecto a la "bombilla de luz mágica"... ¿estás familiarizado con la radiación térmica ? Todas las cosas a temperatura distinta de cero emiten radiación electromagnética (es decir, luz), por lo que, en cierto sentido, todo es una bombilla de luz térmica (mágica). Sin embargo, si dos bombillas térmicas están a la misma temperatura, entonces emiten la misma cantidad de energía entre sí y ninguna se calienta ni se enfría. Puede verificar fácilmente que lo que digo es cierto mirando una estufa eléctrica al rojo vivo o usando una cámara infrarroja.
Así que déjame aclarar esto. ¿Afirma que no existe una forma imaginable de convertir el movimiento browniano en un trabajo útil? Otra idea sería incluir algún tipo de nano computadora en las bobinas que haría un cálculo limitado y luego transmitiría la solución a través de RF a algún receptor. ¿Eso no sería posible en tu opinión también?
Y nuevamente, otra idea sería cargar algunos nano capacitores con las bobinas y hacer que todos liberen la energía al mismo tiempo en algún momento. De esa manera, el medio ambiente tardaría un tiempo en recalentar el agua, o eso creo.
@pZombie Realmente no quiero explicar cómo todos los esquemas posibles que se te ocurren todavía están sujetos a la segunda ley de la termodinámica. ¿Quizás podrías intentarlo? Te aseguro que nada de lo que se te ocurra hará un dispositivo mágico de reducción de entropía. La idea de cargar un condensador y liberar la energía de una sola vez es un poco vaga. Si desea proponer un diagrama de circuito en una nueva publicación, puede hacerme ping aquí y le echaré un vistazo y le explicaré por qué no actúa como un reductor de entropía mágica.
@pZombie ¿Cuál es nuestro estado aquí? Me complace ayudar a mejorar esta respuesta y ayudarlo a comprender lo que está sucediendo. Solo quiero evitar un tira y afloja en el que propones un conjunto arbitrariamente largo de propuestas y explico por qué no violan la segunda ley de la termodinámica cada una a la vez.
@pZombie Para responder a su pregunta a partir de algunos comentarios: solo puede convertir el movimiento browniano en trabajo si tiene un segundo depósito térmico a una temperatura diferente. Tan pronto como ambos depósitos se equilibren, es decir, alcancen la misma temperatura, ya no se podrá extraer más trabajo.
Ambos depósitos emiten radiación. Si tuviéramos que colocar cada uno de ellos en el espacio vacío, sería razonable suponer que el depósito con las bobinas adentro emitiría radiación más rápido que el que no las tiene, por lo tanto, se enfriaría más rápido. Si hubiera una manera de poner ambos uno al lado del otro en un espacio vacío dentro de un contenedor con espejos ideales, sin permitir que escape ninguna radiación, siendo básicamente los dos depósitos el medio ambiente, pensaría que el que tiene las bobinas retendría un temperatura ligeramente más baja en todo momento.
@pZombie "Si hubiera una manera de colocar ambos uno al lado del otro en un espacio vacío dentro de un contenedor con espejos ideales que no permitieran escapar ninguna radiación, solo los dos depósitos son básicamente el medio ambiente, pensaría que el que tiene las bobinas sería mantener una temperatura ligeramente más baja en todo momento". En realidad, en la situación que describe, ¡ambos sistemas mantendrán exactamente la misma temperatura! Este es uno de los resultados fundamentales de la termodinámica y la mecánica estadística: dos sistemas que pueden intercambiar energía siempre llegan exactamente a la misma temperatura.
@pZombie Ahora comentaré su declaración de que el sistema de bobina se enfría más rápido en el espacio vacío. ¿Más rápido que qué? Mencionas otro depósito pero no lo describiste. Si coloca dos sistemas térmicos en un espacio vacío y ambos están más calientes que cualquier radiación electromagnética en ese espacio, ambos se enfriarán con el tiempo hasta que estén a la misma temperatura que la radiación del espacio vacío (que podría ser cero absoluto en principio ). Cuál se enfría más rápido depende de cuál tiene un acoplamiento electromagnético más fuerte. Esas podrían ser las bobinas, ¡pero depende de con qué las compares!
@Como dije, asumimos que ambos depósitos están dentro de otro contenedor con espejos ideales, manteniendo toda la radiación adentro. Un sistema cerrado si quieres. Los depósitos contienen el mismo líquido ambos, excepto que uno tiene las bobinas, el otro no. ¿Por qué ambos se enfriarían a la misma temperatura que la radiación del espacio vacío cuando el sistema está cerrado? No sale ni entra energía.
@pZombie Parecía que estabas describiendo dos situaciones diferentes. Intentaré ser más claro. Si ambos depósitos están en una caja de espejo ideal, con el tiempo alcanzarán la misma temperatura debido al intercambio de radiación térmica. Por otro lado, si ambos sistemas se colocan en el espacio abierto, eventualmente ambos alcanzarán la temperatura de ese espacio (que puede ser el cero absoluto (en nuestro universo es en realidad alrededor de 3 Kelvin). La velocidad a la que llegan a esa temperatura depende de detalles de los embalses.
- "Si ambos depósitos están en una caja de espejo ideal, con el tiempo, alcanzarán la misma temperatura debido al intercambio de radiación térmica". /quote Que es lo que no puedo ver, porque tan pronto como imagino ambos líquidos a la misma temperatura, imagino que el líquido con las bobinas dentro emite más radiación debido a que las bobinas emiten un poco más si estuvieran diseñadas de esa manera. Por lo tanto, el equilibrio debería ser un estado en el que las bobinas líquidas deberían estar a una temperatura más baja. Ahora puede que tengas razón, pero no puedo verlo, así que seguí lo que dijo Lemon.
Además. Deje que el líquido con las bobinas dentro sea de color verde, por lo tanto, refleje bastante luz verde. Las bobinas están diseñadas para emitir este color (verde). El otro líquido es negro. ¿No cambiaría eso la diferencia de temperatura aún más? Usando el color verde solo como un ejemplo. Podría ser cualquier tipo de radiación que un líquido es más probable que refleje en lugar de absorber.
@pZombie "tan pronto como imagino ambos líquidos a la misma temperatura, imagino que el líquido con las bobinas adentro emite más radiación debido a que las bobinas emiten un poco más si estuvieran diseñadas de esa manera". /quote ¡Ah, ahora veo el problema fundamental! Ok, aquí vamos: lo más importante que hay que recordar aquí es que la capacidad de un sistema (pasivo) para emitir y absorber son siempre exactamente iguales. Este es un hecho profundo y muy importante. Entonces, sí, en cierto sentido, las bobinas emiten más que un líquido sin bobinas, ¡pero también absorben más ! Lo mismo ocurre con la idea de diferentes colores.
@pZombie Eche un vistazo a esta otra pregunta: ¿ Por qué el negro es el mejor emisor? , y también este otro sobre la supuesta reducción de entropía perpetua de los circuitos eléctricos que desprenden calor . Ambos están directamente relacionados con lo que estás preguntando.
"Bien, aquí vamos: lo más importante para recordar aquí es que la capacidad de un sistema (pasivo) para emitir y absorber siempre es exactamente igual. Este es un hecho profundo y muy importante". /cita . No considero esto ni profundo ni muy importante, sino más bien como decir lo obvio sin rodeos. En equilibrio, por supuesto, un sistema absorberá tanta energía como sea posible, o de lo contrario, un sistema nunca podría alcanzar una temperatura estable. La pregunta es, a qué temperatura el sistema comienza a emitir tanto como absorbió, por lo tanto, a qué temperatura alcanza el equilibrio.
@pZombie Si tiene dos baldes de líquido, cada uno a la misma temperatura, y luego agrega bobinas a un balde, esto no cambiará la temperatura de ninguno de los baldes. Ya dijiste que entiendes que ambos llegan al equilibrio a la misma temperatura. Entonces, ¿cómo puede cambiar cualquiera de los dos? Si ambos baldes se enfrían (se calientan), ¿adónde se fue (de dónde vino) la energía?

El estado de los nanocircuitos se puede clasificar como uno de los tres siguientes:

ingrese la descripción de la imagen aquí

El estado A genera grandes cantidades de energía, pero es un estado de baja entropía y, por lo tanto (debido a que la energía libre es F = tu − T S ) nunca surgirá.

El estado B consiste en un alto desorden de orientación que generará luz (o alguna otra salida de energía). Debido a la alta entropía, esta será la configuración preferida a temperaturas elevadas. Usted sugiere correctamente que la energía se extraerá de la energía cinética del agua, lo que hará que la temperatura disminuya.

A medida que la temperatura desciende, el agua se agitará menos, lo que reducirá el rendimiento energético de los nanocircuitos. A medida que la temperatura desciende más y más, podría suceder una de dos cosas. Los nanocircuitos pueden conservar su estado de alta entropía, pero la falta de movimiento browniano elimina la producción de energía. O (en un caso ideal) los nanocircuitos se alinearán en un estado de baja energía (C).

Esta respuesta está incompleta. Dice que a alta temperatura las bobinas emitirán luz y enfriarán el agua. Eso solo es cierto si el entorno electromagnético circundante está a una temperatura más baja que el agua. De lo contrario, el entorno está disparando más radiación a las bobinas que las bobinas disparando al entorno, y la temperatura del agua aumentará . Si las temperaturas son las mismas, entonces, por supuesto, el intercambio neto de energía es cero.
@lemon, creo que su respuesta es correcta aún si las bobinas se pueden fabricar para emitir algún tipo de radiación que sea fácilmente absorbida por el material del que está hecho el recipiente que contiene el agua. El material del contenedor se elegiría para absorber o, mejor aún, permitir el paso de la forma de radiación de las bobinas, pero bloquearía la mayor parte de la radiación procedente del entorno. O cualquier otra de las ideas imaginables para que las bobinas hagan un trabajo útil a través del movimiento browniano al que están sujetas. Esperando más información sobre este tema todavía.
@pZombie Puede decir que la radiación de las bobinas se va y se lleva la energía térmica, pero también existe el proceso inverso en el que el entorno también envía radiación térmica a las bobinas. Solo si el ambiente exterior es más frío que las bobinas, el flujo de energía neta se alejará de las bobinas. Esta es solo la vieja historia de que dos cosas a diferentes temperaturas intercambian calor hasta que están a la misma temperatura, ¡y aquí la radiación está haciendo el trabajo!
Para el futuro lector desafortunado que encuentre esto: hay que recordar que el entorno juega un papel. El flujo de energía neta que sale del sistema de agua/serpentín depende de la temperatura relativa entre el sistema de agua/serpentín y el ambiente.
Movimiento browniano moviendo nano/micro bobinas dentro de un campo magnético
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