"Allora, perché non possiamo fare il contrario?"A causa della seconda legge della termodinamica! Molto, molto approssimativamente, il calore è energia 'diffusa in modo sottile' e non si organizza spontaneamente nell'energia 'concentrata' che desideriamo (allo stesso modo in cui una goccia di inchiostro rilasciata in un serbatoio d'acqua non si raccoglierà spontaneamentedi nuovo in una goccia).Consiglio: se sei davvero interessato, leggi la termodinamica!

tl; dr - La tecnologia attuale assorbe i gradienti di temperatura, non il calore. Quando i gradienti di temperatura diventano arbitrariamente grandi, il loro contenuto informativo si avvicina quasi al contenuto informativo del calore, in modo tale che l'apparente efficienza termica, $$ {\ eta} _ {\ text {Carnot ~ efficienza}} ~~ {\ equiv} ~~ \ frac {E _ {\ text {utile}}} {E _ {\ text {calore}}} ~~ {\ approx} ~~ 1- \ frac {T _ {\ text {cold}}} {T _ {\ text {hot}}} \ ,, $$ si avvicina quasi all'unità, dimostrando che possiamo quasi assorbire il calore mentre un gradiente di temperatura è sufficientemente grande.

Tecnologia ipotetica / futura: assorbimento del calore per produrre energia

Potresti sfruttare il calore con un'efficienza quasi perfetta! Richiede solo di trovare il demone di Maxwell. Il demone di Maxwell può essere difficile da trovare, ma demone di Laplace potrebbe dirti dove si trova.

La cosa divertente del demone di Maxwell è che gli piace separare le cose in base alla sua percezione e al suo movimento estremamente precisi:

.

Quindi, in pratica dici al demone di Maxwell di far uscire particelle ad alta velocità quando sono a velocità quasi tangenziali per alimentare una dinamo. E bam! Elettricità.

Un problema con questo schema è che non sappiamo davvero cosa sia il calore. Voglio dire, abbiamo l'essenza che le particelle stanno rimbalzando e cose del genere, ma non conosciamo tutte le posizioni esatte e le velocità e così via per tutte le particelle. E data questa ignoranza, praticamente non siamo in grado di fare nulla con il calore.

Tranne, ovviamente, quando la nostra ignoranza non è completa. A livello macroscopico, possiamo apprezzare cose come gradienti di temperatura; maggiore è il gradiente di temperatura, maggiori sono le informazioni che abbiamo sul moto relativo delle particelle a diverse temperature.

E possiamo sfruttare queste informazioni, fino al punto in cui le abbiamo esaurite. Ad esempio, possiamo usare il calore per far bollire l'acqua, producendo vapore e quindi aumentando la pressione, usando quella pressione per far girare una turbina. Quando il vapore fa girare la turbina passando da una regione di pressione più alta a una pressione più bassa, perdiamo di nuovo le informazioni discriminanti sul sistema finché la nostra ignoranza non è di nuovo completa; ma otteniamo energia utile dall'affare.

Concettualmente, si tratta di informazioni. Ogni volta che abbiamo informazioni su qualcosa, potremmo essere in grado di trasformare tali informazioni in effetti fino al punto in cui cessiamo di avere informazioni. Anche se potremmo dire che non perdiamo necessariamente tutte le informazioni, poiché l'energia che otteniamo dall'accordo non è tanto in realtà " energia " quanto piuttosto un sistema che abbiamo relativamente più informazioni su, e quindi possiamo sfruttare più facilmente.

Il demone di Maxwell e il demone di Laplace sono creature potenti perché hanno tonnellate di informazioni. Avendo sempre informazioni, possono sempre costruire sistemi che possono sfruttare per l'estrazione di energia. Al contrario, gli esseri umani tendono ad essere limitati nelle informazioni di cui disponiamo.

E questo è il problema con l'assorbimento arbitrario di " calore " : il calore è una vaga descrizione delle cose che si muovono. In effetti, anche conoscere una temperatura è di per sé un'informazione abbastanza inutile; piuttosto, abbiamo bisogno di gradienti di temperatura, cioè informazioni discriminanti, per costruire consapevolmente un sistema che si comporti come vogliamo, ad es. un generatore di corrente.

Nella vita reale, c'è interesse nel creare macchine molecolari, come osservato nel classico esempio di ATP sintasi, come tecnologia futura. Come @J ... ha sottolineato, il demone di Maxwell sopra sta agendo come un raddrizzatore termico di che sono attualmente oggetto di ricerca ( esempio).

Tecnologia attuale: assorbimento dei gradienti di temperatura, non calore

Perché è così inefficiente generare elettricità assorbendo calore?

Quanto sopra descrive un sistema per generare elettricità dal calore. Tuttavia, la tecnologia attuale non lo fa mai.

Con la tecnologia attuale, assorbiamo gradienti di temperatura . Può sembrare pedante, ma il fatto che stiamo assorbendo gradienti e non il calore stesso è precisamente il motivo per cui non riusciamo a ottenere dal processo un'energia pari al calore.

Poiché assorbiamo i gradienti, l ' efficienza di Carnot tende ad aumentare con la dimensione del gradiente, $$ {\ eta} _ {\ text {Carnot ~ efficienza}} ~~ {\ approx} ~~ 1- \ frac {T _ {\ text {cold}}} {T _ {\ text {hot}}}. $$

Concettualmente, la ragione di ciò è che, poiché il gradiente di temperatura $$ {\ Delta} T ~~ {\ equiv} ~~ T _ {\ text {caldo}} - T _ {\ text {freddo}} $$ diventa arbitrariamente grande, le informazioni contenute nel conoscere il gradiente di temperatura si avvicinano alle informazioni che il demone di Laplace conoscerebbe, a quel punto l'efficienza si avvicinerebbe all'unità: $$ \ lim _ {{\ Delta} T {\ rightarrow} \ infty} {\ left (1- \ frac {T _ {\ text {cold}}} {T _ {\ text {cold}} + {\ Delta} T} \ a destra)} ~~ {\ rightarrow} ~~ 1, $$ cioè. Efficienza al 100%.

Questo è, certo, non conosceresti le velocità esatte di tutte le particelle, ma ciò che non sai è sminuito da ciò che sai, cioè il gradiente di temperatura relativo estremo .

Quando usi il calore per produrre elettricità (o qualsiasi altra forma di energia), sei limitato dall ' efficienza di Carnot:

$$ \ eta = 1 - \ frac {T_C} {T_H} $$

Non è possibile produrre alcun lavoro utile utilizzando solo una fonte di calore: è inoltre necessario un ambiente freddo per assorbire il calore durante il processo. Questo è il motivo per cui è praticamente impossibile rendere ogni cosa al mondo contemporaneamente più fresca quando si utilizza un motore termico, e perché è impossibile ottenere il 100% (o anche quasi il 100% di efficienza) con esso, a meno che non si sia pronti per andare a un pianeta con una temperatura ambiente prossima allo zero assoluto.

Capisco che l'energia si perde quando si converte da una forma di energia a un'altra, ma come possiamo ottenere una così grande efficienza passando da una forma ma avere un'orribile efficienza che torna indietro?

L'energia non viene mai persa o creata dal nulla. Colloquialmente, "l'energia è persa" significa che una parte di essa è stata convertita in calore invece che nella forma che volevi. Questo è il motivo per cui si dice che un riscaldatore abbia un'efficienza del 100%.

Immagine

"Perché" è generalmente una domanda difficile a cui rispondere. Ma in questo caso è davvero facile disegnare un'immagine mentale:

Immagina un set completo di palle da biliardo ben ordinate nella loro solita formazione a triangolo. Per analogia, questo corrisponde a qualcosa che è relativamente freddo, (cioè, gli atomi si muovono relativamente poco e sono più ordinati quando sono più freddi - ovviamente, gli atomi più freddi non stanno fermi come le palle da biliardo).

Ora il gioco inizia e un buon giocatore colpisce le palline in modo che siano distribuite su tutto il tavolo. Ciò corrisponde alla maggiore entropia di una situazione più calda, (cioè il disordine degli atomi più caldi e più dimenanti aumenta).

Nota che non importa come le palline si fermino: qualsiasi configurazione delle palline è ampiamente diversa dal triangolo iniziale originale - questo disordine corrisponde a uno stato di entropia superiore. C'è solo uno bassa entropia, posizione di partenza altamente ordinata e molti stati disordinati ad alta entropia dopo la rottura del triangolo. È molto facile creare qualsiasi configurazione caotica delle palline (basta colpirle con la stecca come preferisci). È abbastanza improbabile che produca uno stato ordinato, come la configurazione triangolare, (che corrisponde a un'energia ordinata, coerente e utile). È molto improbabile che la collisione con la stecca li riporti nella cornice del triangolo (cioè è improbabile che gli atomi che si scontrano casualmente tra loro si muovano tutti nella stessa direzione).

Ora, per riferirmi alla tua domanda:

• Le sfere sono gli atomi.
• Le sfere in uno stato ordinato (triangolo) corrispondono ad atomi più freddi.
• Le sfere in uno stato caotico corrispondono ad atomi più caldi.
• Gli elettroni corrispondono al pallino (in un filo con corrente che scorre in esso).

Conclusione / Risposta

Gli elettroni (correnti) ordinati che colpiscono casualmente gli atomi fanno muovere facilmente gli atomi che colpiscono in un filo (riscaldandoli), il che significa che è facile costruire un riscaldatore elettrico.

Gli atomi inversi e riscaldati che fanno muovere gli elettroni in modo ordinato, non si verificheranno spontaneamente perché è una possibilità estremamente improbabile.Pertanto, non possiamo dipendere da una corrente "accidentale" generata dal calore.

Possiamo ed è già fatto.Hai generatori termoelettrici, fondamentalmente un elemento Peltier che usi per raffreddare la CPU nei personal computer (ma al contrario).Rendi un lato caldo e l'altro freddo e ottieni una corrente elettrica.Come fai a riscaldare?Beh, dipende da te.Puoi provare con l'ottica o il riscaldamento dell'acqua (come "raffreddamento ad acqua all'indietro", lol).Ci sono molte persone che stanno sperimentando su youtube se vuoi saperne di più.

Allora come si ottiene il freddo?Ben al di fuori del terreno è spesso fresco.L'acqua è un buon refrigerante ecc.

La risposta alla prima domanda è la seguente:

Quando accendi una stufa, Joule effect è al lavoro per convertire l'energia elettrica in calore. Questo effetto è irreversible. Ciò che significa questo è che se potessi filmare un film del riscaldamento e farlo girare all'indietro, le leggi della fisica non reggerebbero più. In effetti, vedresti che la corrente viene invertita e vedresti il ​​riscaldatore che si raffredda. Tuttavia l'effetto Joule si comporta come $ \ sim I ^ 2 $ e quindi la modifica di $ I $ di $ -I $ non cambia l'effetto Joule e ti aspetteresti che il filo non sia più freddo se le leggi della fisica fossero mantenute (più precisamente, Legge di Ohm).

Ora rispondendo al "perché è così inefficiente convertire il calore in elettricità?":

Prima di tutto, i dispositivi che convertono una differenza di temperatura in una tensione sono chiamati generatori termoelettrici (TEG). Il loro principio di funzionamento si basa sull'effetto Seebeck reversibile. La risposta principale alla tua domanda non è che questi motori siano effettivamente limitati dall'efficienza di Carnot come affermato da altri qui (perché sono motori termici, il che è vero), ma perché non abbiamo ancora trovato materiali abbastanza buoni per garantire una maggiore efficienza. Se la prima ragione fosse vera, allora non avrebbe senso cercare di migliorare l'efficienza degli attuali TEG, mentre in realtà è attualmente un tema caldo nella scienza dei materiali (ed è stato anche nel secolo scorso, con alti e bassi) . Pertanto, alcuni scienziati sperano che un giorno troveremo materiali abbastanza buoni da rendere i TEG competitivi con altre energie verdi come l'energia solare. Notare che l'efficienza di un TEG dipende dalla differenza di temperatura. Non ha molto senso citare un'efficienza del "10%" senza specificare la differenza di temperatura. Per pochi gradi Celsius come $ \ Delta T $, l'efficienza è più vicina all'1% che al 10%.

Tenendo presente questo, un utile parametro relativo all'efficienza termoelettrica di un materiale, chiamato figura di merito o $ ZT $, che è uguale a $ \ frac {\ sigma S ^ 2} {\ kappa} $, dove $ \ kappa $ è la conducibilità termica, $ \ sigma $ è la conducibilità elettrica e T è la temperatura assoluta, ci dà alcuni indizi sulle proprietà che un materiale candidato per TEG deve soddisfare. Approssimativamente, il materiale deve avere un elevato coefficiente di Seebeck, una bassa conducibilità termica e un'elevata conducibilità elettrica. In molti metalli, la legge Wiedemann-Franz sostiene e stabilisce che i buoni conduttori elettrici sono anche buoni conduttori termici e quindi non sono buoni candidati per i materiali TEG. Al giorno d'oggi i TEG sono realizzati con semiconduttori di tipo n e p. Nella ricerca odierna, gli scienziati hanno trovato modi per migliorare il fattore ZT a circa 2 modellando i materiali su scala nanometrica (vedi questo rif per esempio). L'argomento è molto ampio e profondo.

Non risponderò all'ultima domanda sul raffreddamento della Terra perché è troppo estranea alle prime domande e potrebbe meritare di essere pubblicata in una nuova domanda se non è già stata pubblicata.