Värme som lågkvalitetsenergi

Energi som lagras som värme i sig är varken låg eller hög kvalitet. Det som är viktigt är temperaturen vid vilken värmen lagras och förhållandet mellan den temperaturen och kylflänsen som kommer att absorbera överflödig energi i processen.

Att vara mer specifikt, säg att du har en kylfläns vid $ T_S = 20 ° \: \ mathrm C $, till exempel atmosfären för en bilmotor. Då är den intressanta jämförelsen mellan (säg) $ 1 \: \ mathrm J $ energi lagrad vid $ 100 ° \: \ mathrm C $ (såsom en massa $ m_ {100} $ vatten strax under kokpunkten) och samma $ 1 \: \ mathrm J $ energi lagrad i en större massa $ m_ {30} $ vatten vid en lägre temperatur på $ 30 ° \: \ mathrm C $: även om båda proverna har samma mängd energi, den med större temperaturskillnad till kylflänsen kan driva en värmemotor mer effektivt och kan därför användas för att utföra mer arbete (i motsats till att helt enkelt lämna det mesta av sin energi direkt till kylflänsen).

Detta är anledningen värme beskrivs ibland som ”låg kvalitet” när den lagras vid låg temperatur (t.ex. värme som skapas av friktion mellan bilens hjul och vägen) och därför inte kan användas för att producera mycket användbart arbete med kylflänsarna vi har tillgängliga. Andra värmekällor (som den exploderande gasen inuti en bilkolv eller de glödande bränslestavarna i en kärnreaktor och så vidare) är vad du skulle kalla ”högt -kvalitetsenergi ”i den inställningen.

Kommentarer

• eftersom vi kan skapa nästan absoluta nollvillkor, varför inte ' t använder vi det för att dra full nytta av värmen?
• Eftersom det kräver arbete för att svalna till dessa förhållanden. Jag skulle rekommendera en bra, lång session med en introduktionsbok för termodynamik.
• En av de många variationerna i den andra lagen säger att ett kylskåp inte kan ' t är perfekt effektiv mer än en värmemotor kan. Det kostar dig energi att göra en kallare behållare än vad du har naturligt tillgänglig, vilket gör kombinationen av kylskåp + värmemotor mindre effektiv än att bara bygga en värmemotor för att dra nytta av den tillgängliga behållaren.
• @ergon Att vara ärligt jag minns inte att jag har svarat på dina tidigare svar (och jag tvivlar inte heller på att ha gjort det om du säger att jag gjorde det, vilket betyder att varje svar har varit oberoende av de andra). Om svaren verkar vara låga på en låg nivå för dig, ta det som konstruktiv kritik att frågeteksten som ställs också är låg på en låg nivå; om du har en mer sofistikerad fråga, se till att den lyser igenom i din text. Som det är finns det lite värdefullt bevis på att du förstår materialet även på introduktionsnivå, jag ' är rädd.
• Svaret på din kommentar är som dmckee sa – det behöver inte bara energi för att producera en kall behållare, det kräver bevisligen ≥ energi än du skulle kunna extrahera som arbete med den reservoaren. Och återigen förklaras detta djupgående i alla termodynamiska läroböcker.

Så arbetet som utförs av systemet måste motsvara värmen som erbjuds systemet.

All värme som ”erbjuds” (läs: tillagd) till systemet omvandlas inte till att fungera i en cykel. Det skulle bryta mot uttalandet från Kelvin-Planck i den andra lagen.

För att slutföra en cykel måste en del av tillsatt värme avvisas (kasseras) av systemet till omgivningen. Så nettoarbetet är lika med den tillagda värmen minus avvisad värme.

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

När det gäller värme som är " lägre kvalitet " energi kan det vara lärorikt att jämföra det med en energiform som anses vara " högre kvalitet ", t.ex. elektrisk energi. Jag har läst att effektiviteten hos en elbilmotor är större än 90% och kan vara så hög som 98%. Som jämförelse varierar effektiviteten hos en förbränningsmotor mellan 30% och 45%.

Även en Carnot-cykelmätmotor som arbetar i temperaturområdet för en bils förbränningsmotor, mellan 2773 K i förbränningskammaren och 300K i atmosfären skulle ha en maximal teoretisk Carnot-verkningsgrad på cirka 89%. Som någon en gång sa, om du placerar en Carnot-motor i din bil skulle du få en fantastisk bränsleekonomi, men fotgängare skulle passera dig!

Hoppas det hjälper