Ist es schwieriger zu kühlen als zu heizen?

Während es scheint, dass es viele Möglichkeiten gibt, Wärme zu erzeugen, indem mechanische, chemische oder elektrotechnische Lösungen verwendet werden, scheint es, dass die Erzeugung von Kälte schwieriger ist. Die meisten vorhandenen Kühlvorrichtungen erzeugen beim Kühlvorgang Wärme.

Dies ist die Beobachtung eines Laien aus der täglichen Erfahrung. Und basierend auf dieser Beobachtung scheint es, als ob es weniger Möglichkeiten gibt, Kälte als Wärme zu erzeugen.

Ist diese Beobachtung und Hypothese richtig oder nicht? Und wenn ja, warum? Könnten Sie mir bitte einige grundlegende Literatur nennen, die mir helfen würde, wenn möglich etwas über das Thema zu lernen?

Ihre Beobachtung ist ziemlich richtig, obwohl sie, wie Sie vielleicht erwarten, normalerweise präziser formuliert wird. Der Grund hat mit dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik zu tun: livescience.com/50941-second-law-thermodynamics.html
@probably_someone Ich würde das Wort "hübsch" aus deinem Kommentar entfernen. Die Beobachtung des OP ist korrekt (und scharfsinnig).
Es ist eine ausgezeichnete Frage. Es ist eines der Dinge, die mich vor Jahren für die Wissenschaft interessiert haben. Ständig werden neue Wege erforscht, um Kälte zu erzeugen. Dafür gibt es eine hohe Nachfrage. Ich habe mich immer gefragt, ob man so etwas wie eine Mikrowelle herstellen könnte, die das Gegenteil bewirkt, indem sie die Bewegung von Molekülen stoppt.
@probably_someone Bitte erwägen Sie, Ihren Kommentar zu einer Antwort zu erweitern.
Ich habe ein kleines Problem mit der Sprache: Sie erzeugen keine Kälte. (Mögliche Ausnahmen sind Laserkühlung und magnetische Kühlung). Um ein Objekt zu kühlen, müssen Sie ihm normalerweise Wärme durch Leitung oder Strahlung entziehen, indem Sie es mit anderen Objekten mit niedrigeren Temperaturen umgeben. Außerdem ist es, wie Sie gesagt haben, viel schwieriger, Wärme auf mechanische Weise zu entfernen, als Wärme auf mechanische Weise hinzuzufügen. Beide Prozesse erfordern das Abführen von Abwärme. Die Magnet- und Laserkühltechniken sind eine faszinierende Studie.
Natürlich könnte man argumentieren, dass ein (relativ) heißes Objekt leichter zu kochen als zu erhitzen ist, da es selbst Wärme an seine Umgebung abgibt.
Es wäre ein großer Durchbruch, wenn wir einen Weg finden könnten, sofortige Erkältung zu bekommen, indem wir irgendwie die Bewegung von Molekülen einschränken. Es wäre nicht nur ein umweltfreundlicher Ersatz für Kältemittel, sondern könnte auch eine potenzielle Energiequelle sein, da sich die Energie in Richtung der Wärmesenke bewegt.

Antworten (5)

Ihre Beobachtung ist richtig, aber wie Sie vielleicht erwarten, wird sie normalerweise präziser formuliert. Der Grund hat mit dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik zu tun. Ein guter Artikel zu diesem Thema ist hier ( https://www.livescience.com/50941-second-law-thermodynamics.html ), und ich werde unten ein Argument in meinen eigenen Worten präsentieren.

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik betrifft das Verhalten einer Größe namens Entropie. Die Entropie verfolgt im Wesentlichen die Anzahl der möglichen Zustände, in denen sich ein System befinden kann. Sie werden dies oft als „das Ausmaß der Unordnung in einem System“ hören; Diese Definition funktioniert, solange Sie nichts für besonders verrückt halten, aber "Menge an Unordnung" ist keine quantitativ messbare Sache, daher ist es keine besonders gute formale Definition. Allerdings sollte jede dieser Definitionen funktionieren, um Ihre Beobachtungen zu erklären, also fühlen Sie sich frei, die für den Moment intuitive zu verwenden.

Mit ein wenig angewandter Statistik stellt sich heraus, dass kalte Objekte im Allgemeinen eher geordnet sind (dh sie haben weniger mögliche Zustände, in denen sie sich befinden können). Heiße Objekte hingegen neigen dazu, ungeordneter zu sein; Da sich ihre Moleküle schneller bewegen, gibt es mehr Zustände, auf die das System Zugriff hat. Wenn Sie davon ausgehen, dass auf mikroskopischer Ebene jeder Zustand der Moleküle des Systems im Grunde gleich wahrscheinlich ist (was für die überwiegende Mehrheit realer Systeme eine gute Annahme ist), würden Sie wahrscheinlich schlussfolgern, dass ein System letztendlich ein System ist, wenn es auf seinem bleibt besitzen, sollte viel wahrscheinlicher in einer Konfiguration enden, die viele mögliche Zustände abdeckt (was bedeutet, dass es sich in einer Konfiguration mit höherer Entropie befindet). Herzlichen Glückwunsch, Sie haben gerade den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik hergeleitet! Formell heißt es darinDie Entropie eines abgeschlossenen Systems nimmt mit der Zeit nicht ab . Umgangssprachlich bedeutet es, dass ein anfangs geordnetes System (mit z. B. Trennung zwischen heiß und kalt) zu Unordnung neigt, wenn es in Ruhe gelassen wird (wo sich z. B. alles auf etwa die gleiche Temperatur erwärmt hat). Das Erstellen einer kalten Region entspricht dem Erstellen einer Region höherer Ordnung oder niedrigerer Entropie. ein solcher Prozess ist statistisch unwahrscheinlich, also ist er schwer durchzuführen.

Aber es gibt noch eine andere Einschränkung, über die wir uns Sorgen machen müssen. Ich habe sorgfältig darauf hingewiesen, dass die Entropie eines abgeschlossenen Systems nicht mit der Zeit abnimmt; aber es stellt sich heraus, dass Sie unendlich schnell auf Ihr System einwirken müssen, damit die Entropie mit der Zeit genau gleich bleibt, was offensichtlich unpraktisch ist! Für jeden realen Prozess, der eine begrenzte Zeit dauert, wird die Entropie eines geschlossenen Systems zunehmen. Was bedeutet das praktisch? Das bedeutet, dass alles, was Sie tun, um beispielsweise einen kalten Punkt zu schaffen, unweigerlich etwas Energie verschwenden muss, um die Entropie seiner Umgebung zu erhöhen. Diese verschwendete Energie ist genau die Wärme, die Sie beobachten.

Danke, das ist interessant und Sie scheinen zu sagen, dass Kälte teurer ist als Wärme, weil es mehr Aufwand erfordert, um die Ordnung aufrechtzuerhalten? Aber (muss aber tiefer graben) Kälte tritt auf, wenn Schatten geworfen, Reibung gestoppt, Feuer ausgeschaltet wird. Sollte es nicht einfacher sein (weniger Energie erfordern) zu erreichen als das Gegenteil? Ist das Universum nicht kälter als heiß? Vielleicht verstehe ich falsch, was kalt und heiß bedeuten. Und ich dachte, Entropie bedeute, dass die Raumtemperatur jedes Objekts versuchen würde, sich auszugleichen.

Gute Frage! Man kann es sich jedoch so vorstellen, dass Kälte die Abwesenheit von Wärme ist. Ein Körper kommt mit seiner Umgebung in thermisches Gleichgewicht. Bei normalen Temperaturen kühlt sich also ein heißer Körper ab, wenn er sich in einer kühleren Umgebung befindet. Dies ist in Ordnung für heiße Objekte und Umgebungen mit Raumtemperatur. In diesem Fall ist es viel einfacher, das Objekt selbst abzukühlen. Manchmal möchten Sie jedoch Objekte auf viele Grad unter Raumtemperatur kühlen. Vielleicht sogar 270 Grad unter Null! Hier müssen Sie das Objekt selbst kühlen oder eine Umgebung schaffen, die so kalt ist. In solchen Fällen erfordert das Kühlen eines Objekts daher viel Aufwand und Energie.

Vielleicht einfacher...

  1. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt im Wesentlichen, dass die Entropie dazu neigt, zu wachsen.
  2. Entropie ist ein komplexer Begriff, der zu verstehen ist, da er Veränderungen impliziert, aber ein guter Begriff kann als "Energieverteilung" verstanden werden. Daher besagt der zweite Hauptsatz, dass "Energie dazu neigt, sich zu zerstreuen".
  3. Heiß hat mehr Energie als Kälte (ja, unter angemessenen Bedingungen). Wenn Sie also zwei Körper in Kontakt bringen, fließt Wärme vom heißen zum kalten Körper und nicht umgekehrt. Warum? Weil der heiße Körper mehr Energie hat als der kalte, und „Energie dazu neigt, sich zu zerstreuen“.
  4. Wenn Sie versuchen, einen Körper zu kühlen, versuchen Sie im Grunde, ihm Energie zu entziehen. Das geht nur, wenn man seine Energie auf einen zweiten Körper konzentriert. Aber das ist gegen das Gesetz! (na ja, die 2. der Thermodynamik). Das ist es, was Kühlen schwierig ist.
  5. Die einzige Möglichkeit, verteilte Energie zu konzentrieren, besteht darin, mehr Energie zu verbrauchen. Sie können davon profitieren, dass sich ausdehnende Gase Wärme aufnehmen (durch Volumenvergrößerung), oder anders ausgedrückt, ausdehnende Gase nehmen Energie als Wärme auf. Bringen Sie also Ihren Körper und ein expandierendes Gas in Kontakt. Voilà!... Anscheinend hast du nicht mehr Energie verbraucht. Aber warte ... Wie bist du an Druckgas gekommen? Da ist es. Sie haben Energie investiert, um es unter Druck zu setzen.

Das bedeutet, wenn Sie die Tür Ihres Kühlschranks offen lassen, um Ihr Zuhause zu kühlen, wird es am Ende heißer. Das Konzentrieren von Energie erfordert mehr Energie. Das ist schwierig für uns. Und deshalb können Sie einen Körper mit dieser Methode (oder anderen) nicht auf 0 Kelvin herunterkühlen: Jedes expandierende Gas wird immer etwas Energie haben.

Nach dem Newtonschen Abkühlungsgesetz ist die vom Körper beobachtete Wärmerate dQ direkt proportional zur Differenz der Umgebungstemperatur (Q1 - Q2), wobei Q1 die Umgebungstemperatur und Q2 die Körpertemperatur ist, die der kalte Körper hat Die Beobachtungsrate ist hoch und die Temperatur steigt schnell an, sodass wir das kühle Objekt nicht lange halten können, aber für den Heizprozess haben wir eine andere Quelle, die hilft, leicht Wärme zu erzeugen ....

Erhitzen erhöht die Unordnung und Abkühlen verringert sie. Letzteres wird rein statistisch immer schwieriger.

Ist es schwieriger zu kühlen als zu heizen?
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