Warum ist Kühlen viel schwieriger als Heizen?

Das liegt am zweiten Hauptsatz der Thermodynamik. Es gibt viele irreversible Prozesse, die genutzt werden können, um etwas zu erhitzen. Es ist der natürliche Fluss der Dinge, weil die Entropie in isolierten Systemen zunimmt und ein Großteil der inneren Energie von Objekten als Wärme abgeführt werden kann (und diese Wärme verwendet wird, um etwas zu erwärmen, das kälter ist). Um etwas zu kühlen, müssen Sie jedoch Arbeit leisten, um die Entropie des Subsystems zu verringern. Es gibt eine maximale Effizienz für Arbeit, die verwendet werden soll, um etwas zu kühlen, indem Wärme von einer Quelle mit niedrigerer Temperatur entfernt und zu einer Quelle mit höherer Temperatur transportiert wird. Beide Prozesse, Erwärmung und Abkühlung, sind also in unserem Universum mit einem thermodynamischen Zeitpfeil nicht symmetrisch.

Man könnte den Gesetzen der Thermodynamik die Schuld geben und sagen, dass die Kühlung in unserem Universum wegen ihnen viel schwieriger ist. Da wir uns jedoch in einem von dunkler Energie dominierten Universum befinden, das sich ausdehnt und abkühlt, scheint es, als ob die Abkühlung im Allgemeinen für das Universum im größten Maßstab einfacher ist.

Selbst in kleineren Maßstäben ist die Kühlung normalerweise einfacher (ich habe natürlich die Leichtigkeit festgestellt, indem ich beobachtet habe, welche häufiger vorkommt). Die Kerne von Planeten kühlen und verhärten sich im Laufe der Zeit, Sterne verbrauchen ihren Treibstoff und kühlen ab, wenn sie sterben. Kühlen ist bei weitem der einfachere Prozess. Selbst wenn das Universum einen Hitzetod erreicht (vorausgesetzt, dass dies jemals der Fall ist), wird die Expansion es weiterhin auf niedrigere Temperaturen abkühlen. Das Kühlen ist also definitiv einfacher für das Universum.

Warum fällt uns das Kühlen nicht leichter? Nun, die Antwort könnte auf die Thermodynamik zurückzuführen sein. Es könnte sein, dass es auf kurzen Zeit- und Entfernungsskalen einfacher ist zu heizen als zu kühlen, aber lassen Sie mich einen eher anthropologischen Grund nennen.

Im Laufe der Menschheitsgeschichte waren wir immer bestrebt, Aufgaben zu erfüllen. Wir wollen Gebäude bauen, Feldfrüchte anbauen, unsere Häuser beleuchten. Für all diese Aufgaben müssen wir Energie aufwenden oder verbrauchen. Als solche haben wir brillante Systeme und Prozesse erfunden, um einfach zu nutzende Energie zu erzeugen und sie dorthin zu lenken, wo wir sie brauchen. Wir sind sehr geschickt darin geworden, Energie aus ein paar gewöhnlichen Quellen zu nehmen und sie dort abzugeben, wo oder was immer wir wollen. Und wie wir alle wissen, ist das Einbringen von Energie in ein Objekt ziemlich dasselbe wie das Erhöhen seiner Temperatur. Etwas zu erwärmen ist für uns also kein Problem. Es ist im Allgemeinen, was wir tun. Um jedoch die Temperatur eines Objekts zu verringern, müssen Sie ihm Energie entziehen. Mit Ausnahme dieser wenigen spezifischen Quellen sind wir nicht sehr geschickt darin, Energie aus etwas zu ziehen. Das war in der Geschichte noch nie so notwendig, denn wenn Sie Energie entfernen, wird es normalerweise schwieriger, Aufgaben zu erledigen. Welchen Sinn hätte es, Aufgaben zu erschweren? Daher verlassen wir uns hauptsächlich auf natürliche Prozesse, um die Energie aus Systemen zu entfernen. Aber im Gegensatz zu den von uns erfundenen Prozessen versuchen natürliche Prozesse normalerweise, die Temperaturen in ein thermisches Gleichgewicht zu bringen. Sicher, wir haben die Kühlung erfunden und ein paar endotherme Reaktionen gefunden, die wir ausnutzen können. Aber letztendlich sind wir viel mehr daran interessiert, Energie in Dinge (Computer, Lampen, Heizungen, alles, was Strom braucht) zu stecken, als sie herauszunehmen. Wir verlassen uns hauptsächlich auf natürliche Prozesse, um die Energie aus Systemen zu entfernen. Aber im Gegensatz zu den von uns erfundenen Prozessen versuchen natürliche Prozesse normalerweise, die Temperaturen in ein thermisches Gleichgewicht zu bringen. Sicher, wir haben die Kühlung erfunden und ein paar endotherme Reaktionen gefunden, die wir ausnutzen können. Aber letztendlich sind wir viel mehr daran interessiert, Energie in Dinge (Computer, Lampen, Heizungen, alles, was Strom braucht) zu stecken, als sie herauszunehmen. Wir verlassen uns hauptsächlich auf natürliche Prozesse, um die Energie aus Systemen zu entfernen. Aber im Gegensatz zu den von uns erfundenen Prozessen versuchen natürliche Prozesse normalerweise, die Temperaturen in ein thermisches Gleichgewicht zu bringen. Sicher, wir haben die Kühlung erfunden und ein paar endotherme Reaktionen gefunden, die wir ausnutzen können. Aber letztendlich sind wir viel mehr daran interessiert, Energie in Dinge (Computer, Lampen, Heizungen, alles, was Strom braucht) zu stecken, als sie herauszunehmen.

Es könnte einfach sein, dass, während das Universum das Kühlen einfacher findet, wir uns viel mehr Mühe gegeben haben, herauszufinden, wie man Dinge heizt, und das ist einfacher für uns.

Lassen Sie mich dazu eine andere Perspektive anbieten. Kühlen ist nicht allgemein schwieriger als Heizen. Um dies zu demonstrieren, bedenken Sie Folgendes:

Angenommen, Sie haben zwei 1-kg-Kupferblöcke, einen bei 200 K und einen bei 400 K. Bringen Sie sie in direkten Kontakt und versiegeln Sie sie in einer perfekt isolierten (keine Wärmeübertragung von den Wänden) leeren Box. Der 400-K-Block kühlt dann genauso leicht auf 300 K ab, wie sich der 200-K-Block auf 300 K erwärmt. [Anmerkung: Die 300-K-Endtemperatur basiert auf der vereinfachenden Annahme, dass die Wärmekapazität von Kupfer zwischen 200 K temperaturunabhängig ist und 400 K.]

Aber, könnten Sie protestieren, gibt es nicht viele Fälle, in denen das Kühlen schwieriger ist – z. B. Kühlen vs. Heizen eines Hauses? Die Antwort ist ja. Aber was unterscheidet dann das Beispiel, das ich angeboten habe, von denen, die Sie betreffen? Der Unterschied besteht darin, dass Sie sich speziell auf Fälle beziehen, in denen potenzielle Energie (PE) (typischerweise elektrische Energie) zum Heizen oder Kühlen verwendet wird.

Vor diesem Hintergrund würde ich vorschlagen, Ihre Frage wie folgt zu verfeinern: Warum ist es schwieriger, mit PE zu kühlen als zu heizen? Jetzt kann ich dir eine Antwort geben:

PE kann verlustfrei in thermische Energie umgewandelt werden, wodurch direkt mit 100 % Wirkungsgrad geheizt wird. ZB kann ich mit einem Widerstand elektrische Energie vollständig in thermische Energie umwandeln. [Dies ignoriert Verluste beim Einbringen des PE in Ihr System, z. B. Widerstandsverluste bei der elektrischen Übertragung.]

Allerdings kann PE nicht direkt in die Entnahme von thermischer Energie umgewandelt werden. Stattdessen erfordert die Verwendung von PE zum Kühlen den Betrieb einer Art Wärmekraftmaschine . Und nach dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik kann selbst eine perfekte Wärmekraftmaschine nicht zu 100 % effizient sein. Darüber hinaus arbeiten alle realen Wärmekraftmaschinen dissipativ und sind daher noch weniger effizient als eine perfekte Wärmekraftmaschine.

Wenn Sie also über die Umwandlung von PE in Heizen vs. Kühlen sprechen, besteht der Unterschied darin, dass ersteres direkt mit 100% Effizienz erfolgen kann, während letzteres immer eine Art Wärmekraftmaschine durchlaufen muss erhebliche Begleitverluste (sowie [mit einigen Ausnahmen, wie z. B. einem Coolgardie-Safe] erheblich größerer technischer Aufwand).

Die Wärmeübertragungsrate hängt von einem Temperaturunterschied zwischen Objekten ab, und die Wärmeübertragung erfolgt immer von hoher Temperatur zu niedriger Temperatur. Beim Erhitzen mit einer Flamme kann der Temperaturunterschied zwischen der Flamme und dem Objekt mit niedriger Temperatur leicht 1000 °C betragen, sodass die Wärmeübertragungsrate hoch ist. Wenn etwas gekühlt wird, ist die Temperaturdifferenz zwischen dem Objekt mit hoher Temperatur (z. B. kochendes Wasser) und dem Objekt mit niedriger Temperatur (z. B. Eis) oft gering (in diesem Fall 100 Grad C). Dementsprechend ist es angemessen, einen festen Temperaturunterschied zwischen Objekten anzugeben, bevor entschieden wird, dass es einfach ist, Dinge aufzuheizen, aber schwierig, sie abzukühlen, da eine solche Aussage ohne Qualifizierung dazu neigt, „Äpfel mit Birnen zu vergleichen“.

Das liegt daran, dass Erwärmung und Abkühlung aufgrund unterschiedlicher Physik erfolgen. Betrachten Sie die folgende Gleichung:

$\partial T/\partial t =c \nabla^2 T + H(x,t, T)$

Wo$H(x,t)$ist die Außenheizung. Dies ist der Quellterm. Das Abkühlen wäre ein Diffusionsprozess, aber das Aufheizen könnte nichtlinear sein. In vielen Fällen$H(x,t) >> c \nabla^2 T$und daher ist das Aufheizen schneller.

Diese Gleichung sagt uns auch, was Sie implizieren, möglicherweise nicht in allen Fällen. Wenn$H(x,t) << c \nabla^2 T$, haben Sie eine schnellere Abkühlung. Es kommt also auf das Parameterregime an.