Может ли тепловая машина охладить источник тепла?

Другой способ сформулировать мой вопрос: может ли тепловой двигатель действовать как отрицательное тепловое сопротивление? Хотя эта формулировка заставляет меня ожидать ответа «нет».

Предположим, у нас есть:

  • источник тепла (постоянной мощности и конечной теплоемкости, например электронное устройство в непрерывном режиме),
  • «радиатор» в разговорном смысле (поверхность, подвергающаяся воздействию окружающего или принудительного воздуха),
  • тепловой двигатель замкнутого цикла (например, двигатель Стирлинга).

Затем, предполагая подходящие механические интерфейсы (например, плоские пластины общей формы), мы можем сравнить две разные конфигурации: одну, в которой источник тепла непосредственно соединен с радиатором (А), и другую, в которой горячий и холодный концы вставлен тепловой двигатель (B).

Возможна ли для случая Б более низкая температура источника тепла при подходящих (физически реализуемых) характеристиках тепловой машины? Если нельзя, то можно ли объяснить ответ с помощью простого запрета, основанного на физическом принципе (например, некоторых законах термодинамики)?

Ответ изначально казался мне очевидным: тепловая машина является препятствием между источником и стоком и, следовательно, должна оказывать некоторое эффективное (положительное) тепловое сопротивление и, таким образом, приводить к большей температуре источника в случае B, чем в случае A. Кто-то другой думал, что двигатель будет иметь охлаждающий эффект, поскольку он отводит некоторое количество тепла от всей системы (превращая его в работу). Я нахожу это неправдоподобным, но не могу придумать, как это доказать.

Термодинамика ничего не говорит вам о скоростях, с которыми происходят процессы, только о начальном и конечном состояниях. Следовательно, мы не можем делать каких-либо общих утверждений о том, как быстро тепловой двигатель передает энергию из одного резервуара в другой. Чтобы ответить на ваш вопрос, вам необходимо подробное описание вашей тепловой машины, включая не только то, как она работает, но и то, из каких материалов она сделана, и какое-то представление о том, с чем она связана. В этом отношении нам также необходимо знать коэффициент проводимости, когда источник и приемник просто соприкасаются.
@BySymmetry Если вы можете сказать, что «такая тепловая машина не запрещена физикой», то это будет ответом на вопрос, который я имел в виду. «Существует ли достаточно хорошая, но не невозможная тепловая машина?» Я отредактировал, чтобы попытаться уточнить.

Ответы (2)

Да, тепловая машина может ускорить перенос тепла от источника тепла к радиатору, если для этого добавить внешнюю работу. На самом деле, у нас есть механические устройства, которые созданы именно для этого, и без них не заработают ни автомобили, ни разогнанные компьютеры. Они называются «радиаторами» и представляют собой тепловые двигатели, работающие как холодильники. Конечно, они обычно необратимы, потому что мы ценим мощность выше эффективности, но тепловые насосы, холодильники и двигатели с термодинамической точки зрения относятся к одному и тому же классу устройств.

Если вы спрашиваете, ускорит ли тепловая машина охлаждение при извлечении из нее работы, то нет, не ускорит. Скорость, с которой двигатель может поглощать тепло, ограничена величиной температурного градиента и уравнением теплопроводности:

п "=" − к А Δ Т Δ л ,
где к зависит от материала, проводящего тепло, п это сила, А площадь поперечного сечения проводника, Δ л это длина, и Δ Т это изменение температуры на нем. Размещение двигателя между источником тепла и поглотителем может только сделать градиент на границах раздела тепловых ванн более мелким, потому что двигатель, производящий работу, по необходимости имеет температуру между температурами нагревательных ванн.

Редактировать 2018-10-15: Приведенный выше анализ основан на предположении, что «радиатор» и «источник тепла» являются термальными ваннами (т.е. это объекты, которые не изменят температуру независимо от того, сколько вы добавляете или вычитаете тепло). ). В действительности, большинство источников тепла более точно можно назвать «источниками энергии» (т.е. источниками, которые выделяют тепловую энергию с постоянной скоростью независимо от температуры).

Однако, что более важно, невозможно привести источник тепла в контакт с его фактическим радиатором. Причина? В любой данной ситуации ваш радиатор расположен, однако далеко, энергия источника тепла должна уйти от источника, прежде чем он будет достаточно разбавлен, чтобы больше не изменять температуру значительно. Таким образом, между фактическим источником тепла и радиатором всегда есть какой-то трубопровод, поэтому можно выбрать трубопровод таким образом, чтобы уменьшить это расстояние.

Например, если вы возьмете компьютер, производящий тепло, и погрузите его в инертную непроводящую жидкость (например, минеральное масло), масло будет проводить тепло быстрее, чем воздух, и будет иметь более высокую теплоемкость для данного объема, уменьшая это расстояние. к теплоотводу.

Если источник тепла имеет достаточно высокую температуру, он также может увеличить скорость переноса тепла, если создаст конвективный поток, поскольку движущаяся жидкость будет переносить тепло своим движением быстрее, чем теплопроводность может его перемещать. Таким образом, добавление «теплового насоса», который работает за счет теплового градиента, который он рассеивает, может ускорить скорость охлаждения, но на самом деле это вопрос замены неэффективного метода транспортировки на более быстрый.

Не верно. Сейчас у нас есть компьютеры с пассивным водяным охлаждением. Тепло процессора напрямую управляет циркуляцией радиатора.
@Joshua Неверно, просто слишком упрощенно. Обновлено для решения более реалистичных ситуаций.

Если источник тепла конечен, то по мере отдачи внутренней энергии стоку, что происходит независимо от наличия тепловой машины, температура источника тепла уменьшается, пока его температура не сравняется с температурой стока. Тепловая машина может изменить только скорость, с которой происходит этот процесс, но не конечное состояние равновесия.

«тепловая машина ... должна оказывать некоторое эффективное (положительное) тепловое сопротивление и, таким образом, повышать температуру источника» неверно, потому что в силу второго закона термодинамики тепло должно переходить от более горячего тела к более холодному. Но, конечно, ты может увеличить температуру (конечного) источника тепла с помощью тепла насос , который представляет собой обращенную тепловую машину, которая требует некоторой внешней работы.

Ответ на редактирование:

Будет ли температура источника тепла выше в случае Б, чем в случае А, зависит от специфики используемой тепловой машины. Если попытаться сделать тепловую машину как можно более близкой к обратимой, то все процессы в ней должны протекать очень медленно, а тогда, учитывая, что в источник тепла постоянно вливается мощность, его температура неизбежно будет повышаться. С другой стороны, вы можете ускорить процесс теплопередачи и тем самым снизить температуру источника тепла. Возьмем, к примеру, конвекцию Рэлея-Бернара, при которой жидкость помещается между двумя параллельными (бесконечными) пластинами, причем верхняя пластина имеет более низкую температуру, чем нижняя. Если жидкость достаточно вязкая, чтобы ее нельзя было привести в движение, то теплопередача происходит исключительно за счет теплопроводности, и поэтому для той же потребляемой мощности (в установившемся режиме) потребуется большая разница температур.

В своем вопросе я указал источник тепла постоянной мощности, т.е. не конечной для целей вопроса. Таким образом, его температура зависит только от стационарного теплового потока, а не от его истории. · Под «повышением температуры» я подразумевал более высокую температуру в случае Б, чем в случае А, а не увеличение во времени; отредактировано для уточнения.
Может ли тепловая машина охладить источник тепла?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v