Warmte als energie van lage kwaliteit

Energie die op zichzelf als warmte wordt opgeslagen, is noch van lage noch van hoge kwaliteit. Waar het om gaat, is de temperatuur waarbij de warmte wordt opgeslagen en de relatie tussen die temperatuur en het koellichaam dat de overtollige energie tijdens het proces zal absorberen.

Om meer te zijn specifiek, stel dat je een koellichaam hebt op $ T_S = 20 ° \: \ mathrm C $, zoals de atmosfeer voor een automotor. Dan is de interessante vergelijking tussen (zeg) $ 1 \: \ mathrm J $ energie opgeslagen bij $ 100 ° \: \ mathrm C $ (zoals een massa $ m_ {100} $ water net onder het kookpunt) en dezelfde $ 1 \: \ mathrm J $ energie opgeslagen in een grotere massa $ m_ {30} $ water bij een lagere temperatuur van $ 30 ° \: \ mathrm C $: hoewel beide monsters evenveel energie hebben, is degene met een grotere temperatuurverschil met het koellichaam kan een warmtemotor efficiënter laten werken en kan daarom worden gebruikt om meer werk uit te voeren (in plaats van het grootste deel van zijn energie rechtstreeks aan het koellichaam af te geven).

Dit is de reden warmte wordt soms omschreven als “lage kwaliteit”, wanneer het wordt opgeslagen bij lage temperatuur (zoals de warmte die ontstaat door wrijving tussen de wielen van een auto en de weg) en daarom niet kan worden gebruikt om veel nuttig werk te produceren met de koellichamen die we beschikbaar hebben. Andere warmtebronnen (zoals het exploderende gas in de zuiger van een auto of de gloeiende brandstofstaven in een kernreactor, enzovoort) zijn wat je zou noemen hoog -kwaliteitsenergie “in die omgeving.

Reacties

• aangezien we bijna absolute nulvoorwaarden kunnen creëren, waarom don ' gebruiken we dat om volledig te profiteren van warmte?
• Omdat het werk vereist om onder die omstandigheden af te koelen. Ik zou een goede, lange sessie aanbevelen met een inleidend handboek over thermodynamica.
• Een van de vele varianten van de 2e wet zegt dat een koelkast ' niet perfect kan zijn zuiniger dan een warmtemotor kan. Het kost je energie om een kouder reservoir te maken dan je van nature beschikbaar hebt, waardoor de combinatie van koelkast + warmtemotor minder efficiënt is dan alleen het bouwen van een warmtemotor om te profiteren van het beschikbare reservoir.
• @ergon To be Eerlijk gezegd, ik kan me niet herinneren dat ik eerdere antwoorden van u heb beantwoord (en ik twijfel er ook niet aan dat ik dat wel heb gedaan als u zegt dat ik het heb gedaan, wat inhoudt dat elk antwoord onafhankelijk is van de andere). Als de antwoorden u op een laag niveau lijken, beschouw dat dan als opbouwende kritiek dat de vraagtekst zoals die wordt gesteld ook op een laag niveau wordt gepit; Als u een meer geavanceerde vraag heeft, zorg er dan voor dat deze doorschijnt in uw tekst. Zoals het is, is er in de tekst maar heel weinig bewijs dat je het materiaal begrijpt, zelfs op inleidend niveau, ik ' ben bang.
• Het antwoord op je opmerking is zoals dmckee zei – er is niet alleen energie voor nodig om een koud reservoir te produceren, het vereist aantoonbaar ≥ energie dan je als werk zou kunnen extraheren met dat reservoir. En nogmaals, dit wordt uitgebreid uitgelegd in elk thermodynamisch leerboek.

Dus het werk dat door het systeem wordt gedaan, moet gelijk zijn aan de warmte die aan het systeem wordt aangeboden.

Alle warmte “aangeboden” (lees: toegevoegd) aan het systeem wordt niet omgezet in werk in een cyclus. Dat zou in strijd zijn met de Kelvin-Planck-verklaring van de tweede wet.

Om een cyclus te voltooien moet een deel van de toegevoegde warmte door het systeem worden afgestoten (weggegooid) naar de omgeving. Het netto uitgevoerde werk is dus gelijk aan de toegevoegde warmte minus de afgewezen warmte.

$$ \ Delta U_ {cycle} = Q_ {net} -W_ {net} = 0 $$ $$ W_ {net} = Q_ {net} = Q_ {toegevoegd} -Q_ {afgewezen} $$

Aangezien warmte een " " energie van lagere kwaliteit is, kan het leerzaam zijn om het te vergelijken met een energievorm die wordt beschouwd als " hogere kwaliteit ", bijv. Elektrische energie. Ik heb gelezen dat het rendement van een elektrische automotor groter is dan 90% en kan oplopen tot 98%. Ter vergelijking: het rendement van een verbrandingsmotor varieert tussen 30% en 45%.

Zelfs een warmtemotor met Carnot-cyclus werkt in het temperatuurbereik van de interne verbrandingsmotor van een auto, tussen 2773 K in de verbrandingskamer en 300K in de atmosfeer, zou een maximale theoretische Carnot-efficiëntie hebben van ongeveer 89%. Maar zon motor zou zo langzaam werken (om omkeerbaar te zijn) dat de snelheid van het werk (vermogen) zon motor volledig onuitvoerbaar zou maken . Zoals iemand ooit zei, als je een Carnot-motor in je auto zou plaatsen, zou je een fantastisch brandstofverbruik krijgen, maar voetgangers zouden je passeren!

Ik hoop dat dit helpt