¿Por qué es tan ineficiente generar electricidad absorbiendo calor?

Cuando enciendo un calentador, se supone que es aproximadamente 100% eficiente. Entonces convierte la electricidad en calor con gran eficiencia, pero ¿por qué no podemos hacer lo contrario: generar electricidad absorbiendo calor? He estado buscando en Internet y, por lo que he leído, parece completamente inútil porque es tan ineficiente, como ridículamente ineficiente, con un 10% de eficiencia. Entonces, ¿por qué no podemos hacer lo contrario? Entiendo que la energía se pierde cuando se convierte de una forma de energía a otra, pero ¿cómo podemos obtener una eficiencia tan grande de una forma pero tener una eficiencia horrible de regreso?

También leí en línea que una forma de enfriar la tierra podría ser irradiar el calor del planeta. De todos modos, perdón por mi mini debate, ¿alguien puede responder cómo podríamos enfriar la tierra? Porque me parecería divertido si no pudiéramos, y si pudiéramos, el calentamiento global no sería tan malo. es ahora, ¿verdad?

También tenga en cuenta que una máquina que convierte el calor en electricidad en realidad está convirtiendo una diferencia de temperatura en electricidad. Si tienes algo cálido y algo frío uno al lado del otro, tienden a querer igualarse, y puedes participar en esa acción y obtener algo de electricidad (u otra energía) de ello. Pero una vez que las temperaturas sean iguales, su máquina no funcionará más. No hay una máquina que pueda colocar en medio de una habitación cálida que enfríe la habitación y le proporcione electricidad (siempre que la máquina tenga la misma temperatura que la habitación).
Cuando suelto una piedra, cae al suelo con un 100% de eficiencia. ¿Por qué las rocas no saltan espontáneamente en el aire? ¿Por qué son tan malos haciendo eso?
¿Qué significa "absorber calor"?
La Tierra sí irradia calor. Por eso, a pesar de unos 1.5 × 10 17 W siendo vertido sobre él desde el Sol, la temperatura es finita.
Tienes una caja con 1.000 pollos dentro. Quiere que se extiendan, solo abra la caja. ¿Los quieres de vuelta en la caja? No es tan simple.
"como ridículamente ineficiente, como en 10% de eficiencia" ¿ha pensado alguna vez en la eficiencia de las bombillas incandescentes?
Así es como hacen pistolas de rayos congelados y ni siquiera necesitan baterías.
Las bombillas incandescentes @PlasmaHH son casi 100 % eficientes... si su objetivo es calentar la habitación. :)
Casi responde a su propia pregunta: el hecho de que sea tan fácil/eficiente pasar de la electricidad al calor es básicamente por qué es tan difícil/ineficiente pasar del calor a la electricidad. Como respuesta de Philip Wood , el "calor" es una forma de energía "difundida" de fácil acceso; alejarse de él es mucho más difícil.
@tfb: La temperatura aún sería finita si la Tierra no irradiara calor. El sol ha estado brillando durante 5 mil millones de años "solamente".
"Parece completamente inútil porque es muy ineficiente". Todavía es la forma en que funcionan los automóviles, las armas nucleares y las centrales térmicas.
@EricDuminil Buen punto: realmente quise decir que la temperatura, en escalas de tiempo largas, no está aumentando.
@TripeHound puedes alejarte del calor a solo 100 millas de donde estás ahora. Hace mucho frío en el espacio.
@nocomprende Solo cuando el sol no da en tu chaqueta de cuero negra.

Respuestas (6)

"Entonces, ¿por qué no podemos hacer lo contrario?" ¡Por la Segunda Ley de la Termodinámica! De manera muy, muy aproximada, el calor es energía 'esparcida delgadamente' y no se organizará espontáneamente en la energía 'concentrada' que queremos (de la misma manera que una gota de tinta liberada en un tanque de agua no se acumulará espontáneamente hasta caer de nuevo). Consejo: si estás realmente interesado, ¡lee sobre termodinámica!

Los comentarios no son para una discusión extensa; esta conversación se ha movido a chat .

tl; dr - La tecnología actual absorbe los gradientes de temperatura, no el calor. A medida que los gradientes de temperatura se vuelven arbitrariamente grandes, su contenido de información casi se acerca al contenido de información del calor, de modo que la eficiencia térmica aparente,

η Carnot~eficiencia     ≡     mi útil mi calor     ≈     1 − T frío T caliente ,
casi se aproxima a la unidad, lo que demuestra que casi podemos absorber calor mientras un gradiente de temperatura es lo suficientemente grande.

Tecnología hipotética/futura: absorción de calor para obtener energía

¡Podrías aprovechar el calor con una eficiencia casi perfecta! Solo requiere encontrar el demonio de Maxwell . El demonio de Maxwell puede ser difícil de encontrar, pero el demonio de Laplace podría decirte dónde está.

Lo divertido del demonio de Maxwell es que le gusta separar las cosas en función de su percepción y movimiento altamente precisos:

            .

Entonces, básicamente le dices al demonio de Maxwell que suelte partículas de alta velocidad cuando están a velocidades casi tangenciales para impulsar una dínamo . Y, ¡bam! Electricidad.

Un problema con este esquema es que en realidad no sabemos qué es el calor. Quiero decir, entendemos que las partículas están rebotando y demás, pero no sabemos todas las ubicaciones y velocidades exactas de todas las partículas. Y dada esa ignorancia, básicamente no podemos hacer nada con el calor.

Excepto, por supuesto, cuando nuestra ignorancia no es completa. A nivel macroscópico, podemos apreciar cosas como gradientes de temperatura; cuanto mayor sea el gradiente de temperatura, más información tenemos sobre el movimiento relativo de las partículas a diferentes temperaturas.

Y podemos explotar esta información, hasta el punto en que la hayamos drenado. Por ejemplo, podemos usar calor para hervir agua, produciendo vapor y elevando así la presión, usando esa presión para hacer girar una turbina. A medida que el vapor hace girar la turbina al pasar de una región de mayor presión a una de menor presión, nuevamente perdemos información discriminatoria sobre el sistema hasta que nuestra ignorancia vuelve a ser completa; pero obtenemos energía útil del trato.

Conceptualmente, se trata de información. Cada vez que tenemos información sobre algo, podemos convertir esa información en efecto hasta el punto en que dejemos de tener información. Aunque podríamos decir que no necesariamente perdemos toda la información, ya que la energía que obtenemos del trato no es tanto " energía " sino un sistema del que tenemos relativamente más información, y así puede explotar más fácilmente.

El demonio de Maxwell y el demonio de Laplace son criaturas poderosas porque tienen toneladas de información. Al tener siempre información, siempre pueden construir sistemas que pueden explotar para la extracción de energía. Por el contrario, los humanos tienden a estar limitados en la información que tenemos.

Y ese es el problema con la absorción arbitraria de " calor " : el calor es una descripción vaga de cosas que se mueven. De hecho, incluso conocer una temperatura es información bastante inútil por sí misma; más bien, necesitamos gradientes de temperatura, es decir, información discriminatoria, para construir a sabiendas un sistema que se comporte como queremos, por ejemplo, un generador de energía.

En la vida real, hay interés en crear máquinas moleculares , como se observa en el ejemplo clásico de la ATP sintasa , como una tecnología futura. Como @J... señaló , el demonio de Maxwell en lo anterior está actuando como un rectificador térmico que se está investigando actualmente ( ejemplo ).

Tecnología actual: absorción de gradientes de temperatura, no de calor

¿Por qué es tan ineficiente generar electricidad absorbiendo calor?

Lo anterior describe un sistema para generar electricidad a partir del calor. Sin embargo, la tecnología actual nunca hace esto.

Con la tecnología actual, absorbemos gradientes de temperatura . Esto puede sonar pedante, pero el hecho de que estemos absorbiendo gradientes y no calor en sí mismo es precisamente la razón por la que no podemos obtener la energía equivalente al calor del proceso.

Dado que absorbemos los gradientes, la eficiencia de Carnot tiende a aumentar con el tamaño del gradiente,

η Carnot~eficiencia     ≈     1 − T frío T caliente .

Conceptualmente, la razón de esto es que, como el gradiente de temperatura

Δ T     ≡     T caliente − T frío
se vuelve arbitrariamente grande, la información contenida en conocer el gradiente de temperatura se acerca a la información que conocería el demonio de Laplace, en cuyo punto la eficiencia se acercaría a la unidad:
límite Δ T → ∞ ( 1 − T frío T frío + Δ T )     →     1 ,
es decir, 100% de eficiencia.

Esto es, seguro, no conocerías las velocidades exactas de todas las partículas, pero lo que no sabes queda empequeñecido por lo que sí sabes, es decir, el gradiente de temperatura relativa extrema.

Los comentarios no son para una discusión extensa; esta conversación se ha movido a chat .
Esta respuesta me está molestando un poco porque traté de hablar sobre aspectos interesantes de la teoría, pero en el proceso, terminé simplificando mucho, omitiendo puntos, sin explicar los principios básicos, hackeando un poco la notación, etc. Si alguien Me gustaría sugerir pequeños ajustes o mejoras, ¡estas sugerencias serían totalmente bienvenidas!
@Nat Para ampliar el uso tecnológico hipotético, se sospecha que, si bien el Demonio de Maxell puede ser posible, terminaría consumiendo más energía de la que podría producir al usar la separación.

Cuando usa calor para producir electricidad (o cualquier otra forma de energía), está limitado por la eficiencia de Carnot :

η = 1 − T C T H

No puede producir ningún trabajo útil utilizando solo una fuente de calor; también necesita un ambiente frío para absorber el calor en el proceso. Esta es la razón por la que es prácticamente imposible hacer que todo en el mundo se enfríe simultáneamente cuando se usa un motor térmico, y por qué es imposible lograr una eficiencia del 100 % (o incluso casi el 100 %) con ella, a menos que esté listo para ir a un planeta con temperatura ambiente cercana al cero absoluto.

Entiendo que la energía se pierde cuando se convierte de una forma de energía a otra, pero ¿cómo podemos obtener una eficiencia tan grande de una forma pero tener una eficiencia horrible de regreso?

La energía nunca se pierde ni se crea de la nada. Coloquialmente, "la energía se pierde" significa que parte de ella se convirtió en calor en lugar de la forma que querías. Por eso se dice que un calentador tiene una eficiencia del 100%.

Ni siquiera existe una fuente de calor, en ausencia de una "fuente de frío".
Esto parece una gran (y muy precisa) explicación de lo que es el límite, pero no responde a la pregunta original sobre por qué existe el límite.
@DanielWagner porque no puedes hacer nada mejor que eso, por lo que todo lo demás es menos eficiente.
@DanielWagner No creo que haya una respuesta lógica de por qué las leyes de la física son como son.
@DmitryGrigoryev No puedo expresar cuán en desacuerdo estoy. Uno puede explicar una ley de la física encontrando una más fundamental y mostrando cómo conduce inexorablemente a la menos fundamental. Admito que no soy físico; sin embargo, dado lo que sé de cuán detallada es nuestra comprensión de, digamos, las partículas subatómicas, me sorprendería saber que solo tenemos evidencia experimental para esta ecuación y no entendemos cómo podría haber surgido de otros fenómenos más fundamentales.
@DanielWagner No, la física nunca responde realmente a la pregunta "¿Por qué?". Así cómo. Incluso si pasas al siguiente nivel, sigue respondiendo un cómo más detallado. Independientemente del clima, puede usar una comprensión de nivel inferior para hacer un por qué significativo en su marco lógico, todavía no responde fundamentalmente por qué. Ahora estoy de acuerdo en que esta no es una muy buena respuesta y, de hecho, muchos efectos de la termodinámica son muy simples en un nivel fundamental. En esencia, son solo procesos aleatorios y millones de reglas simples. Sin embargo, los resultados finales son muy emergentes, eso no es evidente a partir de las reglas.
¿Quién hubiera pensado que si juntas 100 billones de células cerebrales obtendrías religión?
@DanielWagner tiene razón; la física explica el por qué detrás de estas cosas. Para obtener más información sobre este tema, esta respuesta proporciona información útil. Tenga en cuenta su punto de que: " Pero esto es un anacronismo, ya que la segunda ley ya no se considera fundamental sino derivada " .
@joojaa La pregunta " ¿Por qué [x]? " literalmente significa " Explicar [x] en términos más fundamentales " . La física responde a esta pregunta a medida que descendemos a niveles más fundamentales. Por supuesto, como todo padre sabe cuando su hijo pasa por el ¿por qué? -fase, nunca hay final para los porqués ; es un proceso recursivo hasta el nivel actual de ignorancia, es decir, la comprensión fundamental actual. Pero negar que la física aborda ¿por qué? 's es negar la capacidad de responder a cualquier ¿por qué? pregunta.
@Nat algo así, pero solo es cierto si puede integrar ese nivel inferior en algún marco de pensamiento significativo. Si no, entonces la explicación subyacente está tan lejos de por qué como la formulación aquí.

Imagen

"Por qué" es generalmente una pregunta difícil de responder. Pero en este caso es realmente fácil dibujar una imagen mental:

Imagine un juego completo de bolas de billar muy bien ordenadas en su formación triangular habitual. Como analogía, esto corresponde a algo que es comparativamente frío (es decir, los átomos se mueven relativamente poco y están más ordenados cuando están más fríos; por supuesto, los átomos más fríos no se quedan quietos como las bolas de billar).

Ahora comienza el juego, y un buen jugador golpea las bolas para que se repartan por toda la mesa. Esto corresponde a la mayor entropía de una situación más cálida (es decir, aumenta el desorden de los átomos más cálidos y más oscilantes).

Tenga en cuenta que no importa cómo se detengan las bolas: cualquier configuración de las bolas es muy diferente del triángulo inicial original; este desorden corresponde a un estado de mayor entropía. Solo hay una posición inicial altamente ordenada y de baja entropía, y muchos estados desordenados de alta entropía después de la ruptura del triángulo. Es muy fácil crear cualquier configuración caótica de las bolas (solo golpéalas con el taco como quieras). Es muy poco probable que produzca un estado ordenado, como la configuración del triángulo (que corresponde a la energía ordenada, coherente y útil). Es muy poco probable que la colisión con la señal los devuelva al marco del triángulo (es decir, es poco probable que los átomos que chocan aleatoriamente entre sí se muevan todos en la misma dirección).

Ahora, para relacionarnos con tu pregunta:

  • Las bolas son los átomos.
  • Las bolas en estado ordenado (triángulo) corresponden a átomos más fríos.
  • Las bolas en estado caótico corresponden a átomos más calientes.
  • Los electrones corresponden a la bola blanca (en un cable por el que circula corriente).

Conclusión/Respuesta

Los electrones ordenados (corrientes) que golpean átomos al azar fácilmente hacen que los átomos que golpean en un cable se muevan más (los calientan), lo que significa que es fácil construir un calentador eléctrico.

Los átomos calentados al revés que hacen que los electrones se muevan de manera ordenada, no sucederán espontáneamente porque es una posibilidad extremadamente improbable. Por lo tanto, no podemos depender de que se genere una corriente "accidental" a partir del calor.

Podemos y ya está hecho. Tiene generadores termoeléctricos , básicamente un elemento Peltier que usa para enfriar la CPU en las computadoras personales (pero al revés). Haces un lado caliente y el otro frío y obtienes una corriente eléctrica. ¿Cómo haces el calor? Bueno, eso depende de ti. Puedes probar por óptica o calentando agua (como "refrigeración por agua al revés", jejeje). Hay mucha gente experimentando en youtube si quieres aprender algo al respecto.

¿Cómo consigues el cool entonces? Bien afuera, el suelo suele ser fresco. El agua es un buen refrigerante, etc.

Los elementos Peltier generalmente no se usan para enfriar CPU. Sí, tales enfriadores existen en el mercado de entusiastas del overclocking, pero en realidad es una práctica bastante derrochadora porque los elementos Peltier son muy ineficientes (como la pregunta plantea correctamente, y su respuesta parece contradecir) y tienen que trabajar contra la corriente. Esa energía de enfriamiento se invertiría mejor en alimentar otro procesador enfriado por ventilador regular, o una matriz completa de ARM enfriados pasivamente, por ejemplo.
Los elementos Peltier son escasos para el enfriamiento de la CPU, lo probé y los resultados son que usan mucha energía para la cantidad de enfriamiento que obtienes. Puede lograr resultados mucho mejores con refrigeración por agua como un cosair h80i o similar.
@cybernard lo has probado y no sabes que puedes acoplar el elemento peltier con un enfriador de agua..?
@mathreadler Sí, lo probé con un enfriador de agua, y la ventaja de la temperatura frente al consumo de energía y simplemente no valió la pena. El kit de enfriamiento de agua por sí solo fue la mejor explosión por vatio.
Estos no generan electricidad (como hace esta pregunta), sino que simplemente cambian la energía térmica de un lugar a otro. Requieren aporte de energía.
@AnoE Estoy confundido porque esta respuesta sugiere generadores termoeléctricos y luego los comentarios hablan de enfriadores de CPU. ¿A cuál te refieres?
@Kristopher: lo siento, me provocó la mención del "elemento Peltier" en la respuesta. Pero aún así, la respuesta no trae nada a la mesa. El OP menciona que podemos hacerlo "con un 10% de eficiencia", y ese 10% es lo que estos generadores parecen poder hacer. Y estas cosas aún no "absorben" la energía térmica directamente, solo toman un poco de un flujo de calor preexistente (que no es lo contrario de lo que haría un calentador eléctrico).
@cybernard: Depende de cómo cuentes. Si te permite hacer overclocking al equivalente de una CPU mucho más costosa que de otro modo habrías comprado y también puedes obtener electricidad a bajo costo o incluso gratis, aún puede valer la pena.
Los elementos @cybernard Peltier son excelentes para enfriar en ambientes muy calurosos, porque pueden enfriar algo por debajo de la temperatura ambiente, mientras que los sistemas de enfriamiento convencionales requieren que la CPU esté sustancialmente más caliente que el ambiente. De hecho, para uso doméstico/oficina, los elementos Peltier son bastante ineficientes.
Dato curioso, mi pregunta original en realidad comenzó con la minería de criptomonedas. Estoy minando en este momento y, como soy un fanático de la ecología, me preocupa que lo que estoy haciendo esté dañando el medio ambiente (que lo es) de dos maneras. Así que vi dos problemas ambientales que pueden surgir de mi minería.
1) No se garantiza que mis demandas de energía provengan de recursos renovables, ya que no poseo ni sé mucho sobre la red en la que vivo. Esto es fácil de solucionar, ya que tendría que cambiar a energía solar, lo que también generaría /Ahorrarme algo de dinero a largo plazo.
2) La salida de calor. Ahí es donde comencé a preocuparme. Empecé a ver videos y simulaciones del mundo cada vez más caliente y me preguntaba si podría haber una manera de contrarrestar eso. Me gusta invertir en hardware informático y criptomonedas, ya que de alguna manera está impulsando la innovación tecnológica, pero no quiero hacerlo a costa del medio ambiente.
Jaja decir que?! ¿Qué puedo decir? Intenta preocuparte principalmente por las cosas en las que realmente puedes hacer algo y no dejes que otras cosas te molesten.
@mathreadler Jaja, sí. Sé que puedo cambiarme a la energía solar algún día. Pero por ahora me quedaré con la cuadrícula ya que mi granja minera es bastante pequeña. Pero si pronto me mudo a Alemania para estudiar allí, tendré que cambiarme a la energía solar. 30 centavos de dólar por kWh es ridículo, y usan energía limpia que no debería ser tan cara. Si hiciera una granja alimentada por energía solar allí, obtendría un retorno de la inversión para el equipo solar en menos de dos años en comparación con el promedio de EE. UU. de 7 años (porque en Alemania ahorraría mucho más).

Su primera pregunta se responde con lo siguiente:

Cuando enciende un calentador, el efecto Joule está trabajando para convertir la energía eléctrica en calor. Este efecto es irreversible . Lo que quiere decir con eso es que si pudieras filmar una película del calentador y ejecutarla hacia atrás, las leyes de la física ya no se mantendrían. De hecho, vería que la corriente cambia de dirección y vería que el calentador se enfría solo. Sin embargo, el efecto Joule se comporta como ∼ yo 2 y tan cambiante yo por − yo no cambia el efecto Joule y esperaría que el cable no fuera más frío si se mantuvieran las leyes de la física (más precisamente, la ley de Ohm).

Ahora respondiendo a "¿por qué es tan ineficiente convertir el calor en electricidad?":

En primer lugar, los dispositivos que convierten una diferencia de temperatura en voltaje se denominan generadores termoeléctricos (TEG). Su principio de funcionamiento se basa en el efecto Seebeck reversible. La respuesta principal a su pregunta no es que estos motores estén realmente limitados por la eficiencia de Carnot como afirman otros aquí (porque son motores térmicos, lo cual es cierto), sino porque aún no hemos encontrado materiales lo suficientemente buenos para garantizar una mayor eficiencia.. Si la razón anterior fuera cierta, entonces no tendría sentido tratar de mejorar la eficiencia de los TEG actuales, cuando en realidad es un tema candente en la ciencia de los materiales (y lo ha sido también en el siglo pasado, con altibajos). . Por lo tanto, algunos científicos tienen la esperanza de que algún día encontremos materiales lo suficientemente buenos como para hacer que los TEG sean competitivos con otras energías verdes como la energía solar. Tenga en cuenta que la eficiencia de un TEG depende de la diferencia de temperatura. No tiene mucho sentido citar una eficiencia del "10%" sin especificar la diferencia de temperatura. Por unos pocos grados centígrados como Δ T , la eficiencia está más cerca del 1% que del 10%.

Teniendo esto en cuenta, un parámetro útil relacionado con la eficiencia termoeléctrica de un material, llamado figura de mérito o Z T , que es igual a σ S 2 k , dónde k es la conductividad térmica, σ es la conductividad eléctrica, y T es la temperatura absoluta, nos da algunas pistas sobre qué propiedades debe satisfacer un material candidato para TEG. Aproximadamente, el material debe tener un alto coeficiente de Seebeck, una baja conductividad térmica y una alta conductividad eléctrica. En muchos metales, la ley de Wiedemann-Franz sostiene y estipula que los buenos conductores eléctricos también son buenos conductores térmicos, por lo que no son buenos candidatos para los materiales TEG. Hoy en día, los TEG se fabrican con elementos semiconductores tipo n y tipo p. En la investigación actual, los científicos han encontrado formas de mejorar el factor ZT a alrededor de 2 al dar forma a los materiales a escala nanométrica (consulte esta referencia , por ejemplo). El tema es muy amplio y profundo.

No responderé la última pregunta sobre el enfriamiento de la Tierra porque no está relacionada con las primeras preguntas y podría merecer que se publique en una nueva pregunta si aún no se ha publicado.

¿Por qué es tan ineficiente generar electricidad absorbiendo calor?
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