Il calore come energia di bassa qualità

Lenergia immagazzinata come calore, di per sé, non è né di bassa né di alta qualità. Ciò che conta è la temperatura alla quale viene immagazzinato il calore e il rapporto di tale temperatura rispetto al dissipatore di calore che assorbirà lenergia in eccesso durante il processo.

Per essere di più specifico, supponiamo di avere un dissipatore di calore a $ T_S = 20 ° \: \ mathrm C $, come latmosfera di un motore di unauto. Allora il confronto interessante è tra (diciamo) $ 1 \: \ mathrm J $ di energia immagazzinata a $ 100 ° \: \ mathrm C $ (come una massa $ m_ {100} $ di acqua appena sotto il punto di ebollizione) e lo stesso $ 1 \: \ mathrm J $ di energia immagazzinata in una massa maggiore $ m_ {30} $ di acqua a una temperatura inferiore di $ 30 ° \: \ mathrm C $: sebbene entrambi i campioni abbiano la stessa quantità di energia, quello con una la differenza di temperatura rispetto al dissipatore di calore può far funzionare un motore termico in modo più efficiente e quindi può essere utilizzato per eseguire più lavoro (invece di trasferire semplicemente la maggior parte della sua energia direttamente al dissipatore di calore).

Questo è il motivo il calore è talvolta descritto come “di bassa qualità”, quando viene immagazzinato a bassa temperatura (come il calore creato dallattrito tra le ruote di unauto e la strada) e quindi non può essere utilizzato per produrre un lavoro molto utile con i dissipatori di calore abbiamo a disposizione. Altre fonti di calore (come il gas che esplode allinterno del pistone di unauto, o le barre di combustibile incandescenti in un reattore nucleare e così via) sono ciò che “chiameresti” alto -quality energy “in tale impostazione.

Commenti

• dato che possiamo creare condizioni di zero quasi assoluto, perché non ' lo usiamo per sfruttare appieno il calore?
• Perché è necessario lavorare per raffreddare a quelle condizioni. Consiglierei una buona e lunga sessione con un libro di testo introduttivo di termodinamica.
• Una delle tante variazioni della 2a legge dice che un frigorifero non può ' essere perfettamente più efficiente di quanto possa fare un motore termico. Fare un serbatoio più freddo di quello che hai naturalmente a disposizione ti costa energia, rendendo la combinazione di frigorifero + motore termico meno efficiente rispetto alla semplice costruzione di un motore termico per sfruttare il serbatoio disponibile.
• @ergon To be onesto non ricordo di aver risposto a tue precedenti risposte (né dubito di averlo fatto se dici di sì, nel senso che ogni risposta è stata indipendente dalle altre). Se le risposte ti sembrano a un livello basso, allora considera come una critica costruttiva che anche il testo della domanda, così come proposto, è presentato a un livello basso; se hai una domanda più sofisticata, assicurati che risulti visibile nel testo. Così comè, sul testo ci sono poche preziose prove che tu comprenda il materiale anche a livello introduttivo, ' temo.
• La risposta al tuo commento è come diceva dmckee – non solo richiede energia per produrre un serbatoio freddo, ma richiede probabilmente ≥ energia di quella che saresti in grado di estrarre come lavoro usando quel serbatoio. E, ancora una volta, questo è spiegato in profondità in qualsiasi libro di testo di termodinamica.

Quindi il lavoro svolto dallimpianto deve essere pari al calore offerto allimpianto.

Tutto il calore “offerto” (leggi: aggiunto) al sistema non viene convertito per funzionare in un ciclo. Ciò violerebbe laffermazione di Kelvin-Planck della seconda legge.

Per completare un ciclo parte del calore aggiunto deve essere respinto (scartato) dal sistema allambiente circostante. Quindi il lavoro netto svolto è uguale al calore aggiunto meno il calore rifiutato.

$$ \ Delta U_ {cycle} = Q_ {net} -W_ {net} = 0 $$ $$ W_ {net} = Q_ {net} = Q_ {added} -Q_ {rifiutato} $$

Considerando che il calore è unenergia " di qualità inferiore ", può essere istruttivo confrontarlo con una forma di energia considerata " qualità superiore ", ad es. Energia elettrica. Ho letto che lefficienza del motore di unauto elettrica è superiore al 90% e può arrivare fino al 98%. In confronto, lefficienza di un motore a combustione interna varia tra il 30% e il 45%.

Anche un motore termico a ciclo Carnot funzionante nellintervallo di temperatura di un motore a combustione interna di unautomobile, tra 2773 K nel camera di combustione e 300K nellatmosfera, avrebbero unefficienza teorica massima di Carnot di circa l89%. Ma un tale motore funzionerebbe così lentamente (per essere reversibile) che la velocità di lavoro (potenza) renderebbe un tale motore totalmente impraticabile Come qualcuno ha detto una volta, se metti un motore Carnot nella tua auto otterrai un risparmio di carburante fantastico, ma i pedoni ti sorpasserebbero!

Spero che questo aiuti