Kann die einem System als Wärme zugeführte Energie vollständig als mechanische Energie des Systems gespeichert werden?

Wenn Energie an ein System übertragen wird (als Wärme oder Arbeit) und es keine Energieübertragung von diesem System gibt, dann wird die an das System übertragene Energie als eine der Energieformen des Systems gespeichert, dh die Energie des Systems erhöhen System (das thermische Energie, mechanische Energie, chemische Energie usw. sein kann). Wenn die Energieübertragung als Arbeit erfolgte, kann diese vollständig entweder als mechanische Energie des Systems oder als thermische Energie des Systems gespeichert werden (andere Energie des Systems werden wir nicht berücksichtigen). Aber wenn die Energieübertragung als Wärme erfolgt ist, kann diese vollständig als thermische Energie des Systems gespeichert werden, aber die übertragene Energie kann nicht vollständig als mechanische Energie gespeichert werden. Ist dies der Fall oder kann die gesamte als Wärme an das System abgegebene Energie auch als mechanische Energie des Systems gespeichert werden? (Da mechanische Energie ganz einfach auf Arbeit umgestellt werden kann).

Nichts für ungut 1, aber was sagt das zweite Gesetz? Nichts für ungut 2, Absätze würden das Lesen erleichtern.
Es hängt davon ab, was Sie als in Ihrem System enthalten definieren.

Antworten (1)

Jede Art von Energie ist mit einer bestimmten Menge an Entropie verbunden. Beispielsweise haben mechanische Energie, Elektrizität und Laserlicht eine niedrige Entropie. Andere Energiearten sind nicht „entropiefrei“, insbesondere die Wärmeenergie.

Die Entropie kann während des Umwandlungsprozesses einer Energieart in eine andere zunehmen, aber nicht abnehmen. Sie können mit minimalen technischen Verlusten eine Energieart mit niedriger Entropie in eine andere und zurück umwandeln, da dieser Prozess die Entropie des Systems konzeptionell nicht ändert. So können Sie zum Beispiel Strom mit geringen Verlusten in mechanische Energie und zurück umwandeln, wie zum Beispiel in Hybrid-Elektroautos.

Sie können auch eine Energie mit niedriger Entropie in eine Energie mit hoher Entropie umwandeln. Beispielsweise wandelt eine elektrische Heizung Strom zu 100 % in Wärme um. Auf die gleiche Weise wandelt Reibung die mechanische Energie zu 100 % in Wärme um.

Sie können jedoch nicht 100 % einer Energie mit hoher Entropie, wie z. B. Wärme, in eine Energie mit niedriger Entropie, wie z. B. Elektrizität oder mechanische Energie, umwandeln. Dies würde dem Gesetz der Entropiezunahme widersprechen. Die Gesamtmenge an Entropie im System darf nicht abnehmen. Aus diesem Grund wäre die Effizienz einer solchen Umwandlung begrenzt. Beispielsweise beträgt der Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors in Autos nur etwa 40 %, der Rest erwärmt nur die Außenluft.

Um Ihre Frage zu beantworten, können wir die Wärmeenergie in einem isolierten beheizten Objekt speichern, aber wir können die Wärme nicht vollständig in mechanische Energie umwandeln. Nach dem Carnotschen Theorem der Thermodynamik beträgt der maximale Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine:

η = 1 − T C T H

Wo T C ist die Temperatur der Umgebung und T H ist die Temperatur der Heizung.

Siehe Energieumwandlungseffizienz und thermische Effizienz

Stornierte die anonyme Ablehnung. Aber eine Klarstellung in Ihrer Antwort ist erforderlich. Was ist beispielsweise die Entropie, die mit "... mechanischer Energie, Elektrizität und Laserlicht ..." verbunden ist? Auch die Aussage "... man kann eine Energie mit hoher Entropie, wie Wärme, nicht zu 100% in eine Energie mit niedriger Entropie umwandeln ..." wird nur dann richtig sein, wenn man hinzufügt, dass sich an anderer Stelle keine Entropieerhöhung ergibt. Aus dem gleichen Grund muss "... Gesamtmenge an Entropie im System darf nicht abnehmen ..." "Universum" anstelle von "System" haben.
@Deep Vielen Dank! Natürlich ist meine Antwort keine physikalische These, sondern für einen Laien verständlich formuliert. Ich stimme allen Ihren Punkten zu und glaube, dass meine Antwort keinem davon widerspricht. Mein Hauptpunkt ist, dass mechanische Energie, Elektrizität und kohärentes Licht die Energiequellen sind, die im Wesentlichen entropiefrei sind, sodass Sie idealerweise ohne Verlust ineinander umwandeln könnten. In Wirklichkeit gibt es jedoch immer Reibung und elektrischen Widerstand, und die Lichtkohärenz ist begrenzt, sodass während der Umwandlung ein gewisser Entropieanstieg auftritt. [Fortsetzung]
@Deep ... [Fortsetzung] Hoffentlich beantwortet dies Ihren ersten Kommentar. Bei Ihrem zweiten Kommentar bin ich mir nicht ganz sicher, was Sie meinen. Der Wirkungsgrad einer Dampfmaschine kann nicht zu 100 % erreicht werden (es sei denn bei der absoluten Nulltemperatur, was unpraktisch ist), egal wo die Entropiezunahme ist, oder? Ich habe sogar die Formel von Carnot angegeben. Beim letzten Punkt meinte ich natürlich ein geschlossenes System. Obwohl für die Zwecke dieser Frage der Punkt klar genug erscheint, dass Wärme Entropie hat, während Elektrizität im Wesentlichen keine hat, wäre die Umwandlung von Wärme zu 100% in Elektrizität eine offensichtliche Abnahme der Entropie.
@safesphere Die Betrachtung von Wärme als Übertragung von Energie geringer Qualität und Arbeit als Übertragung hochwertiger Energie beantwortet meine Frage. Danke schön. Normalerweise werden in der Literatur sowohl Wärme als auch Arbeit als Mittel zur Energieübertragung angegeben. Wärme, die an ein System (nennen wir es System A) übertragen wird, ist wie die thermische Energie, die von einem anderen System (nennen wir es System B) an dieses System (System A) übertragen wird. ..und [Fortsetzung]
[Fortsetzung] So kann die Wärmeenergie des Systems A spontan um die übertragene Energiemenge erhöht werden, andere Energieformen des Systems A können jedoch nicht spontan erhöht werden. Kurz gesagt, Energie, die als Wärme übertragen wird, kann die thermische Energie des Systems nur erhöhen.
@safesphere: Diese Antwort wäre richtig, wenn man einen zyklischen Prozess betrachtet. Wenn die Energieübertragung als Wärme an ein System erfolgt, das einem reversiblen isothermen Prozess unterzogen wird, könnte die gesamte übertragene Wärme als mechanische Energie gespeichert werden (da die gesamte übertragene Wärme in Arbeit umgewandelt würde). Hier wäre die Entropieerzeugung null. Würde ich mich irren, wenn ich das sage
Ein reversibler isothermer Prozess hält die Temperatur konstant. Also (1) wie würden Sie Wärme übertragen, ohne die Temperatur zu ändern, und (2) wie würden Sie Wärme in mechanische Energie umwandeln, ohne die Temperatur zu ändern? Ich denke, mein Punkt ist hauptsächlich praktisch. In Hybridautos werden die mechanische Energie und der Strom ständig mit minimalen Verlusten ineinander umgewandelt, aber bei Benzinmotoren bekommen wir höchstens 40 % dessen, wofür wir bezahlen, und der Rest der Wärme geht nur in eine Richtung, um die Außenluft zu erwärmen ohne gute Möglichkeit, diese Energie zurückzubekommen.
Können Sie eine Referenz für "Jede Art von Energie ist mit einer bestimmten Menge an Entropie verbunden" angeben. , oder zumindest erklären, woher diese Assoziation in der statistischen Standardphysik kommen soll?
@ACuriousMind Ich wusste, dass es nicht die beste Art war, die Idee zu formulieren, aber andererseits kann ich mir kaum vorstellen, dass ein kluger Typ wie Sie nicht weiß, wovon ich spreche. Was ist Entropie? Ein Logarithmus der Anzahl der Zustände im System? So etwas, nein? Wenn sich also ein Körper bewegt, ist das ein Zustand, die Entropie ist null. Aber wenn Sie eine Unmenge von Körpern haben, die sich bewegen, wie Gasmoleküle, dann ist die Entropie weit von Null entfernt. Was ist falsch an dieser Argumentation? Wenn Sie sich vorstellen können, dies besser zu formulieren, warum helfen Sie nicht, die Antwort zu verbessern, anstatt 20.000 Ihres Rufs dafür auszugeben, andere abzuwerten?
Der Punkt ist, dass Entropie die Anzahl von Mikrozuständen ist, die einem bestimmten Makrozustand eines statistischen Systems zugeordnet sind . Es reicht nicht aus, nur eine Unmenge Teilchen zu haben, Sie müssen nicht wissen und sich nicht darum kümmern , in welchem ​​​​Zustand sich jedes Teilchen genau befindet, um eine Vorstellung von Entropie zu haben. Der einzige Sinn, in dem ich sehen kann, dass "Energiearten" mit niedriger / hoher Entropie verbunden sind, ist, ob die Erhöhung dieser Energieart für den Makrozustand die Anzahl der verfügbaren Mikrozustände erhöht oder nicht.
Aber ich habe diese Unterscheidung in der statistischen Mechanik nicht wirklich gesehen, und es ist für mich nicht offensichtlich, dass die Übereinstimmung zwischen den Energiearten und der niedrigen / hohen Entropie so ist, wie Sie sagen. Insbesondere ist Wärme keine Zustandsfunktion - zwischen zwei Zuständen mit festen Entropieunterschieden gibt es Prozesse, die mehr oder weniger Wärme benötigen als die anderen, aber der resultierende Entropieunterschied bleibt gleich, daher kann ich das nicht einmal intuitiv bestätigen eine Art plausible Assoziation von Wärmeenergie mit hoher Entropie.
@ACuriousMind Ich stimme in gewisser Weise zu, dass ich auch keine Formel schreiben könnte, aber für jeden praktischen Zweck im wirklichen Leben (außer vielleicht für aufwändige wissenschaftliche Aufbauten) ist Wärme eine Energie mit hoher Entropie, während Elektrizität und Mechanik praktisch keine Entropie sind Arten von Energie. Genau aus diesem Grund haben wir Hybridautos und Wärmepumpen zusammen mit Benzinmotoren mit niedrigem Wirkungsgrad, reale Dinge, die von Menschen nicht verstanden werden können, ohne den Entropieunterschied zwischen verschiedenen Energiearten zu verstehen. Und auch, warum eine Wasserstoff-Brennstoffzelle besser ist (keine Wärme), als nur Wasserstoff als Benzin zu verbrennen.
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