Извлечение тепловой энергии без тепловой машины

«Газ будет медленно излучать свое тепло через стекло в окружающий контейнер, в котором находится вакуум, а солнечные панели, выстилающие эту поверхность, могли бы реально собирать эту энергию».

Нет. Если предположить, что газ внутри и клетки снаружи имеют температуру$T$, то никакая (тепловая) энергия не может быть извлечена. Они будут находиться в тепловом равновесии. Какой бы механизм вы ни придумали, он не сможет извлекать энергию.

Если мы предположим, что какой-то путь взаимодействия с ИК-излучением завершает химическую реакцию, то, поскольку материал находится при этой температуре, реакция, скорее всего, пойдет в обратном направлении и вернет то же самое излучение внутрь.

На ваш вопрос у вас уже есть ответ, фотогальванические элементы. Они не являются тепловыми двигателями, но превращают электромагнитное излучение черного тела солнца в электричество. Конечно, это зависит от того факта, что температуры черного тела в ячейках намного меньше, чем температуры черного тела, исходящие от солнца.

Как говорит @ThePhoton, обратите внимание на направление разницы температур. Для объектов в температурном диапазоне земли система будет совершенно неэффективна. Лучше вскипятить воду и сделать паровую машину, чем ждать, пока излучение черного тела передаст энергию солнечной панели.

Все двигатели также не являются тепловыми двигателями, преобразующими одну форму энергии в другую (кинетическую в электрическую или электрическую в кинетическую).

Гидроэлектродвигатели изменяют гравитационный потенциал на электрический.

Если вы подробно проработаете уравнения солнечного элемента, то обнаружите, что максимально возможная эффективность солнечного элемента является функцией собственной температуры элемента и яркостной температуры падающего на него света. Если две температуры одинаковы, как на вашем рисунке, вы обнаружите, что максимально возможная эффективность равна 0. Ячейка может преобразовать 0% световой энергии, падающей на нее, в электрическую энергию. Это, конечно, то, что вы ожидаете от второго закона термодинамики. Это согласуется и с сохранением энергии, потому что солнечный элемент излучает собственное тепловое излучение, равное количеству, которое он получает.

Был новый подход, который вы можете рассмотреть. Ваш вопрос касается преобразования энергии между тепловой энергией и свободной энергией Гиббса. Поскольку обе величины являются несохраняющимися величинами, изменения тепловой энергии и свободной энергии Гиббса можно разделить на две части: одна — потоки, другая — продукция. Для тепловой энергии,$\delta Q$- тепловой поток, а другой термин - производство тепла в результате преобразования энергии. С использованием$d_iq$обозначает производство тепла,$d_eq =\delta Q$обозначает тепловой поток, новую функцию состояния можно определить как

Где$q$обозначает тепловую энергию внутри системы. Сходным образом. у нас есть

Где$d_eG$поток свободной энергии Гиббса. и$d_iG$производство свободной энергии Гиббса.

В вашем случае у нас есть

Для преобразования энергии первый закон не включает градиент температуры.

Производство энтропии

Движущей силой процесса является$\Delta(1/T)$, поэтому для второго закона необходимо учитывать градиент температуры.

Подробнее можно посмотреть в газете

http://arxiv.org/pdf/1201.4284v5.pdf

Ответ Боулофреда правильный. Вы можете получить некоторое представление, изучая броуновский храповик Фейнмана — попытку получить энергию из тепла с помощью статистических флуктуаций (это также относится к вашему второму пункту — второй закон является статистическим по своей природе). Он состоит из крошечного гребного колеса и храповик и, по-видимому, является примером демона Максвелла, способного извлекать полезную работу из случайных колебаний в системе, находящейся в тепловом равновесии в нарушение второго закона термодинамики. Подробный анализ показывает, почему на самом деле он не может этого сделать. Фотогальванический элемент довольно похож - он работает только в том случае, если электроны в основном связаны с самого начала, так что затем они могут быть выброшены фотоном.

Точный механизм может быть сложным, но результат всегда один — вы не можете извлекать энергию из тепла без тепловой машины, отводящей тепло при более низкой температуре.

Конечно, случайный характер тепла означает, что вам может повезти, и вы получите суммарный поток горстки электронов в нужном вам направлении через вашу внешнюю цепь за заданный период времени. Однако если вы хотите обнаружить эти электроны, вам понадобится усилитель, потребляющий много энергии.

На ваш вопрос нет простого ответа, поскольку вы не определяете ни природу газа, ни природу клеток.

«Даже если мое понимание второго закона неверно, я не понимаю, почему мы не можем извлечь тепловую энергию из объекта без температурного градиента, поместив его в определенные условия. Например, теплопередачу через инфракрасное излучение можно было бы извлечь. из газа любой температуры, помещенного в стеклянный шар и изолированного от окружающей среды вакуумной камерой:

Вы действительно правы. Чтобы иметь возможность это учитывать, вы должны избегать использования модели черного тела для вашей системы, где температура каждого тела является единственным параметром, определяющим ваш энергетический обмен излучением. В этом случае равновесие есть только функция относительных поверхностей обмена и начальной температуры тел.

Теперь, если вы рассматриваете, например, модель серого тела, вы должны обратить внимание на коэффициенты поглощения, отражения и пропускания, которые зависят от длины волны (или частоты) и рассматриваемого материала (а также от температуры... ). В этом случае вы действительно можете получить энергию из вашего газа и преобразовать ее в электричество, вам просто нужно выбрать правильную комбинацию материалов и правильные начальные температуры в соответствии с предыдущими коэффициентами.