¿Puede una máquina térmica enfriar su fuente de calor?

Sí, la máquina térmica puede acelerar el transporte de calor desde la fuente de calor hasta el disipador de calor si agrega trabajo externo para que esto suceda. De hecho, tenemos dispositivos mecánicos que se construyen precisamente para esto, y tanto los automóviles como las computadoras overclockeadas no funcionarían sin ellos. Se llaman "radiadores" y son motores térmicos que funcionan como refrigeradores. De acuerdo, generalmente no son reversibles, porque valoramos la potencia sobre la eficiencia, pero las bombas de calor, los refrigeradores y los motores pertenecen a la misma clase de dispositivos, termodinámicamente.

Si está preguntando si el motor térmico acelerará el enfriamiento mientras extrae trabajo de él, entonces no, no lo hará. La velocidad a la que el motor puede absorber calor está limitada por el tamaño del gradiente térmico, por la ecuación de conducción de calor:

Editar 2018-10-15: el análisis anterior se basa en la suposición de que el 'disipador de calor' y la 'fuente de calor' son baños termales (es decir, son objetos que no cambiarán la temperatura sin importar cuánto calor agregue o reste ). En realidad, la mayoría de las fuentes de calor se aproximan con mayor precisión como 'fuentes de energía' (es decir, fuentes que emiten energía térmica a un ritmo constante independientemente de las temperaturas).

Sin embargo, lo que es más importante, no es posible poner una fuente de calor en contacto con su disipador de calor real. ¿La razón? En cualquier situación dada, su disipador de calor está ubicado por muy lejos que la energía de la fuente de calor tenga que alejarse de la fuente antes de que se diluya lo suficiente como para no cambiar la temperatura de manera significativa. Por lo tanto, siempre hay algún conducto entre la fuente de calor real y el disipador de calor, por lo que es posible seleccionar su conducto de tal manera que se reduzca esa distancia.

Por ejemplo, si toma una computadora que está produciendo calor y la sumerge en un fluido inerte no conductor (por ejemplo, aceite mineral), el aceite conducirá el calor más rápidamente que el aire y tendrá una mayor capacidad calorífica para un volumen dado, reduciendo esa distancia. al disipador de calor.

Si la fuente de calor tiene una temperatura lo suficientemente alta, también puede aumentar la velocidad a la que se transporta el calor si establece una corriente convectiva, ya que el fluido en movimiento transportará el calor con su movimiento más rápido de lo que la conducción puede moverlo. Por lo tanto, agregar una "bomba de calor" que funcione con el gradiente térmico que está disipando puede acelerar la velocidad de enfriamiento, pero eso es realmente una cuestión de reemplazar un método de transporte ineficiente por uno más rápido.

Si la fuente de calor es finita, a medida que pierde energía interna hacia el sumidero, lo que sucede ya sea que haya o no un motor térmico, la temperatura de la fuente de calor disminuye hasta que su temperatura se vuelve igual a la del sumidero. Una máquina térmica solo puede alterar la velocidad a la que ocurre este proceso, pero no el estado de equilibrio final.

"el motor térmico ... debe presentar cierta resistencia térmica efectiva (positiva) y, por lo tanto, aumentar la temperatura de la fuente" es incorrecto porque, en virtud de la segunda ley de la termodinámica, el calor debe fluir del cuerpo más caliente al más frío. pero por supuesto tu$\textit{can}$aumentar la temperatura de la fuente de calor (finita) por medio del calor$\textit{pump}$, que es un motor térmico invertido que toma alguna entrada de trabajo externo.

Respuesta para editar:

Si la temperatura de la fuente de calor sería mayor en el caso B que en el caso A, depende de las características específicas del motor térmico empleado. Si intenta hacer que el motor térmico sea lo más reversible posible, entonces todos sus procesos deben llevarse a cabo muy lentamente, y luego, dado que la energía se vierte constantemente en la fuente de calor, su temperatura aumentará. Por otro lado, podría acelerar el proceso de transferencia de calor y, por lo tanto, reducir la temperatura de la fuente de calor. Tomemos, por ejemplo, la convección de Rayleigh-Bernard, en la que se coloca un fluido entre dos placas paralelas (infinitas), con la placa superior a una temperatura más baja que la inferior. Si el fluido es lo suficientemente viscoso como para no ponerse en movimiento, entonces la transferencia de calor ocurre puramente por conducción y, por lo tanto, se requeriría una mayor diferencia de temperatura para la misma entrada de energía (en estado estacionario).