Wenn ich darüber nachdenke, wird die an einem Körper verrichtete Arbeit in irgendeine Form von Energie umgewandelt. Aber warum neigt er letztendlich dazu, Wärme zu erzeugen? In der Physik sprechen wir alle von Energiedissipation in Form von Wärme, aber warum nicht von Elektrizität oder sogar von Licht (irgendwie neigt es dazu, Wärme zu bilden, Ausnahmen vorbehalten). Warum ist der thermische Tod ein so weit verbreiteter Begriff für nicht nutzbare Energie? und nicht, sagen wir, „elektrischer Tod“? Welcher spezifische Mechanismus, wenn überhaupt, existiert, um dafür zu sorgen, dass alle Energie als Wärme verschwendet wird und nicht als eine andere nicht nutzbare Form?
Hitze bedeutet Kollisionen .
Energie kann durch Strahlung (Licht oder Photonen) dissipiert werden. Der geprägte Begriff ist "Strahlungsverluste". Es ist eine sehr wichtige Verlustquelle für Rundstrahlbeschleuniger (oder jede Art von Gerät, das geladene Teilchen beschleunigt, z. B. eine Antenne) und für Raumfahrzeuge, die wieder in die Atmosphäre eintreten, bevor sie auf der Erde abstürzen / landen. Ein sehr wichtiger Begriff in Bezug auf Strahlungsverluste ist der von Schwarzen Körpern . Ein menschlicher Körper verbraucht als schwarzer Körper mehr Energie durch Strahlung (um seine Temperatur auf 37°C zu halten) als durch Arbeit (sich bewegen, sprechen, denken usw.).
Ein Schlüsselbegriff für Ihre weitere Lektüre: Entropie .
Die Entropie wird durch statistische Physik untersucht (aus der sich als Grenzfall die Thermodynamik ableiten lässt ).
Die Impulsübertragung von Teilchen kann als zufälliger Prozess betrachtet werden, bei dem nicht klar ist, wie viel Impuls von einem Teilchen auf ein anderes übertragen wird.
Die Impulsübertragung hängt vom Stoßwinkel, dem Impuls kollidierender Teilchen und dem Querschnitt des Stoßes ab. Der Querschnitt enthält Informationen über die physikalische Wechselwirkung (harte Kugeln, Coulomb-Kraft usw.), die wir Stoß nennen.
Auch die Kollisionen zwischen Teilchen finden in einem so kleinen Maßstab statt, dass der quantenmechanische Heisenberg-Unschärfesatz berücksichtigt werden muss, was bedeutet, dass wir nicht sicher sein können, wie genau zwei Teilchen Impuls austauschen werden.
All dies führt zu einer Streuung der einem physikalischen System zugeführten Eingangsenergie auf seine vielen vielen Komponenten (1 Mol = Partikel). Das nennen wir Energiedissipation. Um den Zustand eines Systems zu beschreiben, verwenden wir dann Impuls-, Geschwindigkeits- und Energieverteilungen (siehe Maxwell-Boltzmann-Verteilung ).
Entropie ist die Größe, die das Verhalten dieser Verteilungen überwacht. Wärme beschreibt dann eine Transformation der Verteilung (Verschiebung des Verteilungsmittelwertes, Abflachung der Verteilung), die dadurch ermöglicht wird, wie sich die Entropie entwickeln soll ( 2. Hauptsatz der Thermodynamik ).
Um zusammenzufassen:
Wärme <=> Stoß <=> zufälliger Impulsübertragungsprozess + Ungewissheit über die Menge des ausgetauschten Impulses => Änderung der Entropie + Änderung der Energieverteilung <=> Dissipation (oder Verschwendung) von Energie
Dies kann dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik zugeschrieben werden, der von Entropie spricht. Entropie ist Unordnung. Was ist Wärme? Wärme wird tatsächlich verwendet, um die Entropie zu quantifizieren. Damit ein Prozess stattfinden kann, muss die Entropie des gesamten Systems zunehmen. Das bedeutet, dass der Prozess letztendlich zu einem Anstieg der Unordnung führen sollte – was als Temperaturanstieg angesehen werden kann, da dieser Anstieg der Unordnung die „Wärmeproduktion“ ist, von der Sie sprechen.
Wärme ist eine innere Energieform . Es ist Energie im Transit oder tatsächlich ein Mittel zur Energieübertragung. Verstehen Sie mich hier nicht falsch – Wärme ist definitiv Energie, aber ich würde es vorziehen, wenn man sie eher als Fahrzeug denn als Speicher betrachtet. Das andere Fahrzeug ist Arbeit .
Wärme ist eine sehr grobe und zufällige Übertragung von Energie. Das Bereitstellen von Wärme erhöht die Temperatur und erhöht die zufällige Bewegung der Moleküle. Man kann also die freigesetzte Wärme - nicht nutzbare Energieform - auf eine Zunahme der Entropie zurückführen.
Es gibt zwei Hauptarten von Energie, potentielle und kinetische. Potenzielle Energie ist Energie, die das Potenzial hat, Arbeit zu verrichten. Kinetische Energie ist die mit Bewegung verbundene Energie. Kinetische Energie kann makroskopische Formen annehmen, wie z. B. die Translation oder Rotation eines Festkörpers, große Schwingungen innerhalb eines Partikelsystems, Strömung einer Flüssigkeit oder Wellenbewegung. Kinetische Energie kann auch mikroskopische Formen annehmen, wie molekulare Schwingungen, inkohärente molekulare Bewegung, mikroskopische Wirbel, mikroskopische Wellen oder elektromagnetische Strahlung, die ich thermische Energie nennen werde. Alle zugänglichen Energieformen können in einem oder mehreren Schritten in andere Energieformen umgewandelt werden, mit Ausnahme der thermischen Energie im Gleichgewicht, die nicht in eine makroskopische Energieform umgewandelt werden kann. Hinweis: In vielen Fällen kann die effektive Gleichgewichtstemperatur der Erde als Umgebungslufttemperatur angenommen werden, aber wenn man die Wärmestrahlung aus dem Weltraum und dem Nachthimmel berücksichtigt, liegt die Gleichgewichtstemperatur bei 2,7 K, so dass einige nützliche Arbeit zurückgewonnen werden kann die Wärmestrahlung der Erde.)
Die Anzahl der Bewegungszustände oder Moleküle, die sich auf einfache kohärente makroskopische Weise bewegen, ist winzig im Vergleich zu der Anzahl der Zustände, die sich auf eine komplexe "ungeordnete" Weise bewegen. Infolgedessen befinden sich Molekülsysteme viel wahrscheinlicher in einem Zustand der "Unordnung" als in einem Zustand makroskopischer Ordnung, was bedeutet, dass geordnete kinetische Energie auf natürliche Weise zu thermischer Energie wird (ungeordnete kinetische Energie). Wenn sich die Temperatur auf natürliche Weise auf ein Gleichgewicht einstellt (Umgebungstemperatur), wird es unmöglich, Wärmeenergie in eine andere Form umzuwandeln. Folglich ist thermische Energie im thermodynamischen Gleichgewicht der lokale Endzustand aller Energie.
Energie fließt von der Sonne zur Erde und schließlich in den Weltraum. Eine kleine Menge dieser Energie wird von photosynthetischen Organismen, konvektiven thermodynamischen Motoren (Luft- und Wasserkonvektion) und Sonnenkollektoren für nützliche Arbeit, Flüssigkeitsfluss, Wachstum und Fortpflanzung eingefangen.
Thermodynamik und Reversibilität von Prozessen.
Die meisten Möglichkeiten, Energie zu speichern, sind reversibel. Kinetische Energie zu potentieller Gravitationsenergie und umgekehrt. Elektrisch auf Magnetisch und umgekehrt. Chemisch zu elektrisch und umgekehrt. Auf eine Weise gespeicherte Energie wird schließlich zurückgewonnen und in eine andere umgewandelt.
Die Umwandlung von Wärmeenergie in eine andere Form erfordert jedoch viel Aufwand - Sie benötigen eine Wärmekraftmaschine wie eine Peltierzelle oder einen Stirlingmotor, um andere Energieformen aus Wärme zu extrahieren - und wenn sie zufällig in Objekten rund um das Sammeln verteilt ist, ist das Sammeln einfach nicht realisierbar. Wärmeenergie bleibt also in der Regel thermisch und wandelt sich gelegentlich in elektromagnetische (Infrarot-Photonen) um, die in zufällige Richtungen gesendet und an anderer Stelle in Wärmeenergie umgewandelt werden. Einfach gesagt bedeutet die sehr lausige Reversibilität von Umwandlungen anderer Formen in Wärmeenergie, dass der größte Teil der "freien Energie" dort gefangen bleibt - und dort bleibt.
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