Зачем нам сбрасывать лишнюю энтропию, создаваемую в тепловой машине?

В своем введении в теплофизику Даниэль Шредер пишет о процессе в тепловом двигателе следующее:

Только часть энергии, поглощенной в виде тепла, может быть преобразована в работу. Причина в том, что поступающее тепло приносит с собой энтропию, от которой нужно каким-то образом избавляться, прежде чем цикл может начаться заново. Чтобы избавиться от энтропии, каждая тепловая машина должна сбрасывать некоторое количество отработанного тепла в окружающую среду.

Почему лишняя энтропия должна быть утилизирована?

В моем понимании, мы могли бы накапливать все больше и больше лишней энтропии, при этом превращая все тепло в работу, пока энтропия не достигнет своего максимума. Тогда было бы достигнуто состояние равновесия, и в соответствии со вторым законом термодинамики из системы больше нельзя было бы отбирать энергию. Но тогда мы могли бы просто перейти к следующей машине и сделать то же самое, всегда превращая все тепло в работу.

Сколько энергии вам нужно добавить к вашей машине хранения энтропии, чтобы создать дополнительные состояния для хранения дополнительной энтропии?
И что вы собираетесь делать с полными машинами хранения энтропии? Будем надеяться, что переработайте их, сбросив из них энтропию.
Меня интересует не практическая польза, а то, можно ли всю теплоту превратить в работу, хотя бы за короткое время.

Ответы (5)

Мы говорим о циклах здесь. После полного цикла система должна вернуться в исходное положение. Поскольку энтропия является переменной состояния, должно быть так, что после одного полного цикла энтропия достигает своего «начального» значения. По второму закону это должно означать, что энтропия должна «уходить куда-то еще». Если вы «собирали все больше и больше» энтропии, то это уже не цикл.

Если бы вы действительно хотели сделать то, что предлагаете, заменив двигатели, то это было бы крайне неэффективно. Вы получите один «выход» из процесса, а затем вам придется получить новый движок (я не уверен, как это на самом деле будет работать). Гораздо лучше использовать один и тот же двигатель на цикле.

Почему обязательно цикл? Разве это не может быть более линейный путь, где энтропия просто увеличивается до своего максимума?
Но теоретически тогда можно было бы преобразовать всю теплоту в работу. Это просто неэффективно, но все же возможно, верно?
@JoKli Да, если вы говорите об одном процессе, а не о цикле. Например, необратимое изотермическое расширение газа в сосуде совершает работу над окружающей средой, где энергия полностью исходит от тепла. Вот почему я специально сказал в своем ответе, что вы получите только один «выход» из процесса. Это больше не тепловая машина, поскольку тепловые машины используют циклы.
@jokli - представьте, что у вас есть машина на бензине. Вы, наверное, знаете, что у него около 2000-3000 оборотов в минуту. это прекрасный пример тепловой машины. Так что с вашим предложением вы должны использовать не более, скажем, 1000 циклов и менять двигатель. То есть 3 раза в минуту! Пишу это потому, что, может быть, для вас это как-то абстрактно, но то же самое и для поезда, машины, самолета. Но, конечно, есть двигатели, работающие именно так, как вы предлагаете: ракеты. Это одноходовой двигатель.
@JoKli На самом деле вы можете. Однако в реальных двигателях этот максимум достигается за один цикл - это было бы после перемещения автомобиля или локомотива на несколько метров. Замена двигателя каждые несколько метров может быть термодинамически обоснованной, но довольно непрактичной.
@Pere Это было то, что я пытался сделать во втором «абзаце». Спасибо, что добавили немного больше деталей :)
Однотактный двигатель - ракета? о, подождите, SpaceX повторно использует ракеты на жидком топливе... Значит, ракеты на твердом топливе? Можно было бы утверждать, что SRB Шаттла использовались повторно, что повлекло бы за собой цикл. Нужна ли нам ракета, которая самоуничтожается?
Но разве мое предложение о машине не есть вечный двигатель 2-го рода? Я не предлагаю это из практических соображений, но хочу понять основные принципы.
@JoKli Вечные двигатели включают в себя циклы , в которых вы не создаете никакой дополнительной энтропии в окружающей среде. Так что вечные двигатели - это не то, о чем вы спрашиваете.
РИТЭГи — это тепловые двигатели, которые не вращаются.
@Joshua ОП спрашивает о тепловых двигателях, как описано в книге Шредера, и все они включают циклы. Но спасибо, что указали на это. Вот интересно :) Как они не зацикливаются?
РИТЭГи (радиоизотопные термоэлектрические генераторы) преобразуют часть энергии, образующейся при распаде радиоактивных ядер, в электричество. Это не вносит ничего нового в обсуждение. Как потребители топлива РИТЭГи в этом отношении аналогичны ракетным двигателям, несмотря на то, что их топливо ядерное, а не химическое.
@Baldrickk, заправка производит цикл, только если вы можете получать топливо из-за пределов вселенной. В противном случае состояние Вселенной после каждой дозаправки будет другим — в ней будет меньше топлива, а все остальное останется неизменным. Так что не цикл.
@JohnBollinger, состояние машины не обязательно отличается, и мы не говорим о циклическом движении вселенной.
Разве ракета не сжигает топливо до тех пор, пока ничего не останется? Это не то же самое, что и мое предложение, когда двигатель работает до тех пор, пока его энтропия не станет такой же, как у теплового резервуара. Но, вероятно, не очень полезно думать о практических реализациях на этом уровне абстракции.

В моем понимании мы могли бы набирать все больше и больше лишней энтропии, при этом превращая все тепло в работу

Вы не можете хранить энтропию, все еще преобразовывая все тепло в работу. Хранение количества энтропии г С требует, чтобы вы также хранили количество энергии Т г С , где Т это температура объекта, в котором вы храните энтропию.

Но тогда мы могли бы просто перейти к следующей машине и сделать то же самое, всегда превращая все тепло в работу.

Вы можете удерживать часть энтропии внутри своей тепловой машины, а не выбрасывать ее во внешний резервуар, такой как река или воздух. Допустим, у вас есть бак с водой, который остается внутри вашего теплового двигателя, пока вы его не выбросите. Вы храните энтропию в этом резервуаре с водой, который требует нагрева воды. Здесь есть две проблемы: (1) По мере того, как резервуар для воды нагревается, затраты энергии на хранение в нем энергии, Т г С , становится все хуже и хуже. (2) Резервуар ничем не отличается от внешнего теплового резервуара. Вы можете хранить его в коробке, в которой находится ваш двигатель, но это не имеет значения. Наше описание тепловой машины абстрагируется от таких вопросов, как физическое расположение низкотемпературного резервуара. Единственная реальная разница в том, что мы обычно идеализируем низкотемпературный резервуар как бесконечный ресурс, температура которого никогда не меняется, в то время как резервуар на самом деле конечен и, следовательно, термодинамически хуже, потому что он нагревается.

Я думал, что если я передаю теплоту от горячего объекта к холодному, то создаю дополнительную энтропию, так как увеличивается множественность способов хранения энергии. Как может существовать количество энергии, соответствующее этой дополнительной энтропии? Разве это не создаст энергию из ниоткуда?

Причина, по которой вам нужно сбрасывать тепло, заключается в том, что двигатели по своему определению работают в цикле. Они возвращаются к предыдущей конфигурации, прежде чем продолжить. Таким образом, ваше решение, заключающееся в использовании неограниченного количества одноразовых устройств, теоретически возможно. Его просто нельзя было назвать двигателем. Это также было бы непрактично. Однако можно было бы считать сам Большой взрыв окончательным одноразовым устройством!

Двигатели также хотят, чтобы этот цикл шел в одном направлении, поэтому мы должны спроектировать их для этого. Теоретически можно было бы иметь устройство, которое просто движется в любом направлении без сброса тепла. Мы построили такие устройства — маленькие турбины, работающие на молекулярном уровне, где беспорядочное молекулярное движение заставляет вещи двигаться так или иначе. Однако мы не можем заставить их работать (мы пытались). Чтобы заставить их работать, нам нужно знать, в каком направлении цикла они пойдут.

Чтобы это произошло, мы ориентируемся на два равновесия, а не на одно. Одно равновесие находится при максимальной энтропии, например, при самом полном расширении поршня. Как только мы туда доберемся, нам нужно перезагрузить машину, нацелившись на второе равновесие (например, с максимально сжатым поршнем). Когда мы делаем это, нам приходится сбрасывать тепло, потому что это второе равновесие не является состоянием с наивысшей энтропией при всем этом тепле в системе. Мы должны избавиться от тепла, прежде чем будет достигнуто это второе равновесие.

Теперь вам разрешено использовать тепло для привода другого двигателя. Это называется многоступенчатым двигателем, и они используются во многих силовых установках. Они могут быть более эффективными, чем одноступенчатый двигатель. Однако законы термодинамики накладывают жесткие ограничения на их эффективность, независимо от того, сколько стадий вы используете. Результирующий предел эффективности определяется теоремой Карно и зависит от температур горячего источника и холодного стока. (Примечание: этот предел есть только у тепловых двигателей. Другие устройства, такие как топливные элементы, не работают как тепловые двигатели, поэтому они могут достигать более высокой эффективности)

Ярким примером этого является Matiroshka Brain . Это фантастическая мегаструктура, обернутая вокруг звезды, чтобы получить от термоядерного двигателя как можно больше полезной работы. Это массивная тепловая машина с огромным количеством ступеней (от тысяч до миллионов), где отработанное тепло каждой ступени является горячим источником для следующей ступени. Теоретически результат может приблизиться к идеальной тепловой машине.

Для Мозга Матрешки вокруг нашей звезды (солнца) мы можем рассчитать его эффективность. Температура на поверхности Солнца примерно 5800 К, так что это наша высокая температура. Наша низкая температура — это фоновое излучение пустого космоса, которое составляет очень холодный 2,725. Подключив это к уравнению Карно, η м а Икс "=" 1 − Т С Т ЧАС , получаем максимальный КПД 99,95%. Эти мозги могут быть удивительно эффективными, но они никогда не смогут избежать медленного марша энтропии!

Если вы рассматриваете конструкцию, поглощающую лишнее тепло, как часть двигателя, то вы, безусловно, можете сделать двигатель, который может работать в течение определенного времени, не утилизируя отработанное тепло. Автомобильный двигатель не нуждается в охлаждении, когда он только что запустился, и проработает несколько минут, прежде чем перегреется.

Обратите внимание, что при этом двигатель не станет более эффективным. Он по-прежнему будет доставлять только часть энергии, которую вы вкладываете в механическую работу, а остальная часть энергии будет использоваться для повышения его температуры. Итак, ваша идея не повысить эффективность двигателя при резком сокращении его срока службы.

Одноходовой двигатель, работающий на тепле, используется и известен: это ракетный двигатель. Он сжигает некоторые компоненты (жидкости, твердые вещества) для получения тяги. Но это очень дорогой способ добраться куда угодно и не такой полезный, как можно было бы ожидать. Он хорошо разработан именно для этого: один раз запустить.

Зачем нам сбрасывать лишнюю энтропию, создаваемую в тепловой машине?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 1v