Физика - Можно Ли Когда-Нибудь Преобразовать Тепловую Энергию В Электрическую?

Тепловая энергия присутствует повсюду на Земле.

Если бы его можно было преобразовать в электрическую энергию, он мог бы служить отличным источником энергии.

Эта идея нарушает законы термодинамики.

Но это не против сохранения энергии.

Интересно, сможет ли электронный компонент размером всего в несколько нанометров поглотить броуновское движение? Конечно, многие из этих компонентов потребуются для генерации полезного напряжения.

Возможно ли это?

Охладит ли это планету?

Эта идея нарушает законы термодинамики.

Проще говоря, забудьте об этом.

Законы термодинамики являются наиболее строго соблюдаемыми законами во Вселенной. Обойти их невозможно.

В этих законах четко говорится, что вы не можете преобразовать тепло в полезную энергию; вы можете преобразовать только долю L энергии при температуре T1 в полезную энергию, если вы можете отбросить часть энергии при температуре T2 ниже T1.

Эта дробь определяется как $L=1-$$T_2 \over T_1$.

Мы уже можем это сделать, и нет, это совершенно не нарушает законы термодинамики. Это называется Термоэлектрический эффект. Что касается эффективного масштабирования, то это, как правило, дороже, чем другие способы отопления, охлаждения и выработки электроэнергии, поэтому этого не так уж и много. Есть исследования по этому поводу, такие как это.

В настоящее время его практическое использование в основном как термопары в духовках и других газовых приборах.

Да, это возможно сделать много таких. Но возможный не означает практичный. Есть гораздо лучшие способы получения электроэнергии.

И нет, это не приведет к «охлаждению земли», так сказать. Что на самом деле происходит при эффекте Зеебека, так это использование разницы температур для стимуляции небольшого тока через разные металлы. Вы не «берёте» и не «преобразовываете» тепловую энергию, поэтому охлаждающий эффект минимален.

Так получилось, что в последнее время я много думал и читал именно об этой проблеме, и это настоящая головная боль. Эта проблема часто возникает, когда люди говорят о конструкции космических кораблей и проблемах отходящего тепла. Интуитивно кажется, что вы должны уметь улавливать тепло и превращать его в полезную энергию.

Проблема в энтропии. Вот краткое изложение:

Полная энтропия системы либо увеличивается, либо остается постоянной.

любой процесс; оно никогда не уменьшается. Например, теплообмен не может происходят самопроизвольно от холода к горячему, потому что энтропия уменьшится.

Энтропия сильно отличается от энергии. Энтропия не сохраняется, но

увеличивается во всех реальных процессах

Поскольку тепло, по сути, является САМОЙ неупорядоченной формой энергии, вы не можете просто преобразовать тепло в менее энтропийную форму, такую ​​​​как электричество. Если вы хотите больше читать, я нашел этот документ довольно поучительным. Важное предостережение: вы можете ИСПОЛЬЗОВАТЬ поток тепла от более высокой концентрации к более низкой концентрации и генерировать электричество ТАКИМ способом, вот кактермоэлектрические генераторы

работа. Важно отметить, что таким образом вы не ИЗБАВЛЯЕТЕСЬ от тепла, вы просто генерируете немного электричества по мере движения тепла.

Мы не знаем, как это сделать. Что касается вашего конкретного нано-устройства, то это на самом деле довольно интересная маленькая история. На самом деле мы исследовали идею улавливания энергии броуновского движения с помощью наноустройств. Конструкция, на которую мы опирались, представляла собой своего рода водяное колесо с храповым механизмом. Идея заключалась в том, что случайные столкновения в одном направлении заставят колесо двигаться вперед, задействуя храповой механизм. Случайные столкновения в другом направлении будут противодействовать храповому механизму и не позволят повернуть колесо. Казалось, что это превратит случайное броуновское движение во вращательное движение, которое мы могли бы использовать для вращения генераторов. Насколько я понимаю, мы на самом деле сделали несколько таких для изучения.

Конечно, нет никаких обязательств, что будущие учёные не «взломают код». У нас уже есть формы энергии, которые можно использовать, например кинетическая энергия или химическая энергия. Если бы кто-то нашел невероятностную структуру тепловой энергии, мы могли бы использовать ее для извлечения из нее энергии. На данный момент мы не верим, что это возможно благодаря теории хаоса, но кто знает, что может предложить нам будущее. В конце концов, это тот вид, который научился использовать силу ветра и силу воды для измельчения зерна и приготовления хлеба.

Если вам интересно изучить этот вопрос, я высоко рекомендовать Последний вопрос Айзек Азимов. Это история о людях, которые задаются вопросом, возможно ли такое обращение энтропии. Он короткий, хорошо написанный, и его финал очень хорошо показывает, насколько необычным будет такой ответ.

Конечно, мы можем сделать это сегодня. Пока вы переносите тепло из горячего места в более прохладное, со вторым законом термодинамики проблем не возникает.

Вы можете использовать солнечную восходящую башню. Лучше всего работает там, где много солнечной тепловой энергии. Возьмите кусочек пустыни или красивый большой черный асфальт, постройте башню, чтобы собирать поднимающийся горячий воздух и направлять его в турбину. Тепло заведено, электричество отключено. Никаких электростанций промышленного масштаба построено не было, но в Монголии действует электростанция мощностью 200 кВт, и планировалось увеличить ее мощность до 27 МВт.

Вы можете использовать геотермальный тепловой насос, который перекачивает теплоноситель под землю, где он нагревается природными горячими камнями. В этой установке тепло часто используется непосредственно для обогрева здания, но вы можете спроектировать установку с фазовым переходом, в которой среда кипит при рабочей температуре, а газ используется для вращения генераторной турбины и конденсируется обратно в рабочий контур. В этой установке вам потребуется некоторое количество энергии для работы насоса, но вы можете собрать большое количество тепла из-под земли. Исландия использует много перекачиваемой геотермальной энергии.