Wärmeenergie ohne Wärmekraftmaschine gewinnen

"Das Gas würde seine Wärme langsam durch das Glas an den Umgebungsbehälter abstrahlen, in dem sich das Vakuum befindet, und Sonnenkollektoren, die diese Oberfläche auskleiden, könnten diese Energie möglicherweise sammeln."

Nein. Wenn wir davon ausgehen, dass das Gas innen und die Zellen außen beide auf Temperatur sind$T$, dann kann keine (thermische) Energie entnommen werden. Sie befinden sich im thermischen Gleichgewicht. Welchen Mechanismus auch immer Sie sich ausdenken möchten, er wird keine Energie extrahieren können.

Wenn wir einen Weg annehmen, der mit der IR-Strahlung interagiert, um eine chemische Reaktion zu vervollständigen, dann läuft die Reaktion, da das Material diese Temperatur hat, genauso wahrscheinlich umgekehrt ab und gibt die gleiche Strahlung an das Innere zurück.

Auf Ihre Frage haben Sie bereits die Antwort, Photovoltaikzellen. Sie sind keine Wärmekraftmaschinen, sondern wandeln die elektromagnetische Schwarzkörperstrahlung der Sonne in Elektrizität um. Dies hängt natürlich davon ab, dass die Schwarzkörpertemperaturen der Zellen viel kleiner sind als die Schwarzkörpertemperaturen, die von der Sonne kommen.

Beachten Sie, wie @ThePhoton sagt, die Richtung der Temperaturunterschiede. Für Objekte im Temperaturbereich der Erde ist das System völlig ineffizient. Es ist besser, Wasser zu kochen und eine Dampfmaschine zu bauen, als darauf zu warten, dass die Strahlung des schwarzen Körpers Energie auf ein Solarpanel überträgt.

Alle Motoren sind auch keine Wärmekraftmaschinen, die eine Energieform in eine andere umwandeln (kinetisch in elektrisch oder elektrisch in kinetisch).

Wasserkraftmaschinen wandeln das Potenzial von Gravitation in elektrische um.

Arbeitet man die Gleichungen einer Solarzelle im Detail durch, stellt man fest, dass der maximal mögliche Wirkungsgrad einer Solarzelle eine Funktion der Zelleneigentemperatur und der Strahlungshelligkeitstemperatur des auftreffenden Lichts ist. Wenn die beiden Temperaturen gleich sind, wie es in Ihrer Zeichnung der Fall wäre, ist der maximal mögliche Wirkungsgrad 0. Die Zelle kann 0 % der auf sie treffenden Lichtenergie in elektrische Energie umwandeln. Das ist natürlich das, was Sie vom zweiten Hauptsatz der Thermodynamik erwarten. Es steht auch im Einklang mit der Energieeinsparung, da die Solarzelle ihre eigene Wärmestrahlung abgibt, die der Menge entspricht, die sie empfängt.

Es gibt einen neuen Ansatz, den Sie in Betracht ziehen können. Ihre Frage betrifft die Energieumwandlung zwischen Wärmeenergie und Gibbs-freier Energie. Da es sich bei beiden um nicht konservierte Größen handelt, können die Änderungen der Wärmeenergie und der beiden freien Gibbs-Energien in zwei Teile unterteilt werden: Der eine sind die Flüsse, der andere die Produktionen. Für Wärmeenergie,$\delta Q$ist der Wärmefluss, und ein anderer Begriff, die Wärmeerzeugung stammt aus der Energieumwandlung. Verwenden$d_iq$bezeichnet die Wärmeerzeugung,$d_eq =\delta Q$den Wärmestrom bezeichnet, kann eine neue Zustandsfunktion definiert werden

Wo$q$bezeichnet die Wärmeenergie innerhalb des Systems. Ähnlich. wir haben

Wo$d_eG$ist der freie Energiefluss nach Gibbs. Und$d_iG$ist Gibbs freie Energieerzeugung.

In Ihrem Fall haben wir

Für die Energieumwandlung beinhaltet der erste Hauptsatz nicht den Temperaturgradienten.

Die Entropieproduktion

Die treibende Kraft des Prozesses ist$\Delta(1/T)$, also muss für den zweiten Hauptsatz der Temperaturgradient berücksichtigt werden.

Weitere Details sind dem Papier zu entnehmen

http://arxiv.org/pdf/1201.4284v5.pdf

Bowlofreds Antwort ist richtig. Sie können einige Einblicke gewinnen, indem Sie Feynmans Brownsche Ratsche studieren - ein Versuch, Energie aus Wärme unter Verwendung statistischer Schwankungen zu gewinnen (Dies bezieht sich auch auf Ihren zweiten Punkt - dass das zweite Gesetz statistischer Natur ist). Es besteht aus einem winzigen Schaufelrad und a Ratsche und scheint ein Beispiel für einen Maxwell-Dämon zu sein, der in der Lage ist, nützliche Arbeit aus zufälligen Schwankungen in einem System im thermischen Gleichgewicht zu extrahieren, was gegen den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verstößt. Eine detaillierte Analyse zeigt, warum es das eigentlich nicht kann. Ganz ähnlich verhält es sich mit einer Photovoltaikzelle, die nur funktioniert, wenn die Elektronen zunächst größtenteils gebunden werden, um dann von einem Photon herausgeschleudert zu werden.

Der genaue Mechanismus mag kompliziert sein, aber das Ergebnis ist immer dasselbe - Sie können keine Energie aus Wärme gewinnen ohne eine Wärmekraftmaschine, die Wärme bei einer niedrigeren Temperatur abgibt.

Die zufällige Natur der Wärme bedeutet natürlich, dass Sie Glück haben und in einem bestimmten Zeitraum einen Nettofluss von einer Handvoll Elektronen in die gewünschte Richtung durch Ihren externen Stromkreis erhalten können. Will man diese Elektronen jedoch nachweisen, braucht man einen Verstärker, der viel Energie verbraucht.

Es gibt keine einfache Antwort auf Ihre Frage, da Sie weder die Natur des Gases noch die Natur der Zellen definieren.

„Auch wenn mein Verständnis des zweiten Hauptsatzes falsch ist, verstehe ich nicht, warum wir einem Objekt ohne Temperaturgradient keine Wärmeenergie entziehen können, indem wir es unter bestimmte Bedingungen stellen. Beispielsweise könnte die Wärmeübertragung über Infrarotstrahlung extrahiert werden aus einem Gas beliebiger Temperatur, in eine Glaskugel eingebracht und über eine Vakuumkammer von der Umgebung isoliert:"

Du hast eigentlich Recht. Um dies berücksichtigen zu können, müssen Sie vermeiden, das Schwarzkörpermodell für Ihr System zu verwenden, bei dem die Temperatur jedes Körpers die einzigen Parameter sind, die Ihren Strahlungsenergieaustausch definieren. Das Gleichgewicht ist dann nur eine Funktion der relativen Austauschflächen und der Anfangstemperatur der Körper.

Wenn Sie nun beispielsweise ein Graukörpermodell betrachten, müssen Sie die Absorptions-, Reflexions- und Transmissionskoeffizienten beachten, die eine Funktion der Wellenlänge (oder Frequenz) und des betrachteten Materials (und auch der Temperatur) sind ... ). In diesem Fall können Sie tatsächlich Energie aus Ihrem Gas entnehmen und in Strom umwandeln, Sie müssen nur die richtige Kombination von Materialien und die richtigen Anfangstemperaturen gemäß den vorherigen Koeffizienten wählen.