¿Puede un refrigerador producir una cantidad positiva de trabajo neto?

El enunciado de Clausius de la segunda ley es:

" El calor nunca puede pasar de un cuerpo más frío a uno más caliente sin que ocurra algún otro cambio, relacionado con él, al mismo tiempo " .

Esto generalmente se ilustra de una manera similar al diagrama etiquetado como "(a)" a continuación:Texto

Ahora tenga en cuenta que en la declaración de Clausius citada anteriormente, solo afirma que "algún otro cambio" debe ocurrir al mismo tiempo que el calor fluye de frío a mantenimiento. Él no dice que el cambio necesariamente tiene que ser un trabajo neto positivo en el dispositivo (es decir, W norte mi t , i norte > 0 ). Entonces, en teoría, si debo tomar la declaración anterior como verdad, entonces seguramente debería ser posible construir un dispositivo (un refrigerador) como se muestra en el diagrama anterior etiquetado como "(b)".

Es decir, un dispositivo que transfiere calor de un cuerpo más frío a un cuerpo más caliente y realiza un trabajo neto positivo sobre los alrededores durante el ciclo. Esto claramente parece incorrecto, pero me parece que no viola la segunda ley (como se indicó anteriormente) y tampoco viola la primera ley ya que todavía tenemos eso Δ tu = 0 para el ciclo ¿Es todo esto correcto? ¿Es posible crear un dispositivo que funcione en un ciclo que transfiera calor de una fuente fría a una fuente caliente y al mismo tiempo realice un trabajo neto positivo en su entorno (es decir, W norte mi t , o tu t > 0 )? Me parece algo intuitivo que esto no debería ser posible. Si no es posible, ¿no debería actualizarse la declaración de Clausius para decir que "el calor nunca puede pasar de un cuerpo más frío a uno más cálido sin una entrada de trabajo neta positiva en el dispositivo que causa el flujo de calor "?

Respuestas (2)

Es decir, un dispositivo que transfiere calor de un cuerpo más frío a un cuerpo más caliente y realiza un trabajo neto positivo sobre los alrededores durante el ciclo.

Aunque esta declaración de la segunda ley es bastante imprecisa, el dispositivo que usted describe (que llamaré motor de refrigeración) está prohibido por ella.

Ya conocemos dispositivos en funcionamiento que pueden tomar trabajo y convertirlo en energía térmica, a los que genéricamente podemos llamar calentadores. Entonces, con su motor de refrigeración, podría acoplarlo con un calentador en el depósito caliente para aumentar aún más el calor en el depósito caliente. Entonces terminaría con un sistema combinado que viola la declaración de Clausius.

Ahora bien, dado que sabemos que los calentadores existen, y por la declaración de Clausius, la combinación de motor de refrigeración/calentador no puede existir, podemos concluir que el motor de refrigeración no puede existir.

Gracias. Esta es una gran respuesta. Como es el de arriba. Si pudiera aceptar ambos, lo haría, pero el tuyo es más o menos exactamente lo que buscaba.

Si asume que la declaración de Clausius es simplemente lo que citó, en principio tiene razón: no prohíbe explícitamente el trabajo positivo en un refrigerador (que está prohibido por la termodinámica tal como la conocemos ahora). Pero esa versión de la declaración es, digamos, imprecisa o incompleta , y aparentemente el propio Clausius no estaba satisfecho con ella . El problema es que carece de descripción matemática: ¿qué significa "algún otro cambio"?

El punto es que no es "cualquier otro cambio" lo que tiene que ocurrir (lo que incluiría trabajo positivo, como usted dice). más bien pretende ser "no ocurre espontáneamente: algo más debe suceder para que el proceso tenga lugar".

Desafortunadamente, no pude encontrar la versión original del principio de Clausius. La wikipedia alemana lo afirma de una manera un poco menos engañosa, ya que "no hay cambio de estado cuyo único resultado sea el flujo de calor de una fuente fría a una cálida". En esta versión, está claro que el punto no es que " algo más también tiene que suceder para que el proceso tenga lugar " -lo que parece indicar que mientras suceda "cualquier otra cosa", el calor puede fluir en esa dirección- pero más bien que " tienes que hacer algo para que el proceso se lleve a cabo". ¡Ese "algo" que tienes que hacer es trabajar - como lo afirman claramente las sucesivas formulaciones del 2º principio - para lo cual el mismo Clausius jugó un papel fundamental! Y se descubre entonces que ese algo tiene que ser trabajar en tu lado , no cualquier tipo de trabajo .

¡Gracias por la gran respuesta! Está bien, veo lo que quieres decir. ¿No implica esto que la declaración de clausius (en la forma que usé en mi publicación) contiene información menos útil que la declaración "El calor nunca puede pasar de un cuerpo más frío a uno más cálido sin una entrada de trabajo neta positiva en el dispositivo que ocurre en el mismo tiempo " porque esta última declaración especifica el tipo exacto de "otro cambio" que tiene que ocurrir. ¿Seguramente la declaración posterior es una forma más completa de la segunda ley dada esta información adicional que contiene? Además, ¿a qué formulaciones sucesivas se refiere? ¿La declaración de KelvinP?
Sí, la última es una declaración más completa: no significa que Clausius esté equivocado, pero debe tener cuidado al comprender lo que realmente significa. Y sí, me refería a la declaración de Kelvin y varias otras que puedes encontrar aquí: en.wikipedia.org/wiki/Second_law_of_thermodynamics
Sí, está bien, estoy de acuerdo con usted en que no significa que la declaración de Clausius sea incorrecta, solo incompleta en parte porque no dice nada sobre la validez de la existencia de "un refrigerador que produce una cantidad positiva de producción neta " . ¿Es posible crear tal refrigerador entonces? Si tal refrigerador es posible, entonces mi declaración revisada de Clausius ("El calor nunca puede pasar de un cuerpo más frío a uno más caliente sin que ocurra al mismo tiempo una entrada de red positiva en el dispositivo") es completamente incorrecta. Si tal refrigerador no es posible, entonces mi declaración revisada sería verdadera.
Esta es una buena respuesta (+1). He hecho un par de ediciones menores.
@Gert ¿Tengo razón al pensar que "un refrigerador que produce una cantidad positiva de producción de trabajo neto" es imposible y que una versión más "densa de información" de la segunda ley sería que "El calor nunca puede pasar de un lugar más frío a uno más cálido cuerpo sin una entrada de trabajo neta positiva distinta de cero en el dispositivo que ocurre al mismo tiempo "?
@SalahTheGoat Eso es lo que me han enseñado, ¡jaja! Un refrigerador, también conocido como bomba de calor, requiere una ENTRADA positiva de energía mecánica para bombear calor desde el disipador frío (por ejemplo, el interior del refrigerador) al disipador caliente (parte posterior del fregadero).
Y tiene sentido: las máquinas de calor (como el vapor o la combustión interna) extraen calor de caliente a frío y luego producen mech. trabajar. ¡Eso es exactamente lo contrario de una bomba de calor!
@Gert Bien, muchas gracias por la ayuda. Realmente lo aprecio. De acuerdo, seguiré usando la declaración revisada de la segunda ley, que es "El calor nunca puede pasar de un cuerpo más frío a uno más cálido sin que ocurra una entrada de trabajo neta positiva distinta de cero en un dispositivo al mismo tiempo " .
¿Puede un refrigerador producir una cantidad positiva de trabajo neto?
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