Kann eine Wärmekraftmaschine ihre Wärmequelle kühlen?

Ja, die Wärmekraftmaschine kann den Wärmetransport von der Wärmequelle zur Wärmesenke beschleunigen, wenn Sie dafür externe Arbeit hinzufügen. Tatsächlich haben wir mechanische Geräte, die genau dafür gebaut sind, und sowohl Autos als auch übertaktete Computer würden ohne sie nicht funktionieren. Sie werden "Heizkörper" genannt und sind Wärmekraftmaschinen, die als Kühlschränke betrieben werden. Zugegeben, sie sind normalerweise nicht reversibel, weil wir Leistung über Effizienz stellen, aber Wärmepumpen, Kühlschränke und Motoren gehören thermodynamisch alle zur selben Geräteklasse.

Wenn Sie fragen, ob die Wärmekraftmaschine die Kühlung beschleunigt, während sie ihr Arbeit entzieht, dann nein, das wird sie nicht. Die Geschwindigkeit, mit der der Motor Wärme aufnehmen kann, wird durch die Größe des Wärmegradienten durch die Wärmeleitungsgleichung begrenzt:

Bearbeiten 2018-10-15: Die obige Analyse basiert auf der Annahme, dass die „Wärmesenke“ und die „Wärmequelle“ Thermalbäder sind (dh es handelt sich um Objekte, die die Temperatur nicht ändern, egal wie viel Wärme hinzugefügt oder abgezogen wird ). In Wirklichkeit werden die meisten Wärmequellen genauer als „Stromquellen“ (dh Quellen, die unabhängig von der Temperatur Wärmeenergie mit einer konstanten Rate abgeben) angenähert.

Noch wichtiger ist jedoch, dass es nicht möglich ist, eine Wärmequelle mit ihrem eigentlichen Kühlkörper in Kontakt zu bringen. Der Grund? In jeder gegebenen Situation befindet sich Ihr Kühlkörper so weit entfernt, dass die Energie der Wärmequelle von der Quelle wegkommen muss, bevor sie ausreichend verdünnt wird, um die Temperatur nicht mehr wesentlich zu ändern. Daher gibt es immer eine Leitung zwischen der eigentlichen Wärmequelle und der Wärmesenke, sodass es möglich ist, Ihre Leitung so zu wählen, dass dieser Abstand verringert wird.

Wenn Sie beispielsweise einen Computer, der Wärme erzeugt, in eine inerte, nichtleitende Flüssigkeit (z. B. Mineralöl) eintauchen, leitet das Öl Wärme schneller als Luft und hat eine höhere Wärmekapazität für ein bestimmtes Volumen, wodurch diese Entfernung verringert wird zum Kühlkörper.

Wenn die Temperatur der Wärmequelle hoch genug ist, kann sie auch die Geschwindigkeit erhöhen, mit der Wärme transportiert wird, wenn sie einen Konvektionsstrom aufbaut, da das sich bewegende Fluid mit seiner Bewegung Wärme schneller transportiert als die Leitung es bewegen kann. Daher kann das Hinzufügen einer "Wärmepumpe", die von dem Wärmegradienten, den sie abführt, betrieben wird, die Kühlrate beschleunigen, aber das ist wirklich eine Frage des Ersetzens einer ineffizienten Transportmethode durch eine schnellere.

Wenn die Wärmequelle endlich ist, dann nimmt die Temperatur der Wärmequelle ab, wenn sie innere Energie an die Senke verliert, was unabhängig davon geschieht, ob eine Wärmekraftmaschine vorhanden ist oder nicht, bis ihre Temperatur gleich der der Senke wird. Eine Wärmekraftmaschine kann nur die Geschwindigkeit ändern, mit der dieser Prozess abläuft, aber nicht den endgültigen Gleichgewichtszustand.

"Wärmekraftmaschine ... muss einen effektiven (positiven) Wärmewiderstand aufweisen und somit die Temperatur der Quelle erhöhen" ist falsch, da aufgrund des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik Wärme vom heißeren zum kälteren Körper fließen muss. Aber natürlich du$\textit{can}$Temperatur einer (endlichen) Wärmequelle durch Wärme erhöhen$\textit{pump}$, bei der es sich um eine umgekehrte Wärmekraftmaschine handelt, die einen gewissen externen Arbeitsaufwand erfordert.

Antwort auf Bearbeitung:

Ob die Temperatur der Wärmequelle im Fall B größer wäre als im Fall A, hängt von den Besonderheiten der verwendeten Wärmekraftmaschine ab. Wenn Sie versuchen, die Wärmekraftmaschine so reversibel wie möglich zu machen, müssen alle ihre Prozesse sehr langsam ausgeführt werden, und da dann ständig Strom in die Wärmequelle fließt, steigt ihre Temperatur zwangsläufig an. Andererseits könnte man den Prozess der Wärmeübertragung beschleunigen und so die Temperatur der Wärmequelle senken. Nehmen wir zum Beispiel die Rayleigh-Bernard-Konvektion, bei der eine Flüssigkeit zwischen zwei parallele (unendliche) Platten gebracht wird, wobei die obere Platte eine niedrigere Temperatur hat als die untere. Wenn die Flüssigkeit viskos genug ist, um nicht in Bewegung gesetzt zu werden, erfolgt die Wärmeübertragung ausschließlich durch Wärmeleitung, sodass für die gleiche Leistungsaufnahme (im stationären Zustand) eine größere Temperaturdifferenz erforderlich wäre.