Fluyendo de caliente a frío: la segunda ley de la termodinámica

En física, el segunda ley de la termodinámica dice que el calor fluye naturalmente de un objeto a una temperatura superior a un objeto a una temperatura inferior, y el calor no fluye en la dirección opuesta de su propia voluntad.

La ley ciertamente se confirma en la observación cotidiana - ¿cuándo fue la última vez que notó un objeto más frío que sus alrededores a menos que otro objeto estaba haciendo algún tipo de trabajo? Puede forzar el calor fluya lejos de un objeto cuando se fluiría naturalmente en él si lo hace un poco de trabajo - como en refrigeradores o aparatos de aire acondicionado - pero el calor no va en esa dirección por sí mismo.

Usted tiene muchas maneras de convertir calor en trabajo. Es posible que tenga una máquina de vapor, por ejemplo, que tiene una caldera y un conjunto de pistones, o puede tener un reactor atómico que genera vapor sobrecalentado que puede convertir una turbina.

Motores que dependen de una fuente de calor para hacer el trabajo se denominan Motores- calor se puede ver el principio detrás de un motor térmico en la figura anterior. Una fuente de calor proporciona calor al motor, lo que hace el trabajo. El calor residual que queda va a un disipador de calor, que tiene efectivamente una capacidad de calor infinito, ya que puede tomar una gran cantidad de energía calorífica tal sin cambiar la temperatura. El disipador de calor podría ser el aire circundante, o podría ser un radiador lleno de agua, por ejemplo. Mientras el disipador de calor está a una temperatura más baja que la fuente de calor, el motor térmico puede hacer el trabajo - al menos teóricamente.

El calor suministrado por una fuente de calor se da el símbolo Q_h (para la fuente de calor), y el calor enviado a un disipador de calor se da el símbolo Q_c (para el disipador de calor frío). Con algunos cálculos, se puede encontrar la eficiencia de un motor térmico. La eficiencia es la relación entre el trabajo del motor hace, W, a la cantidad de calor de entrada - la fracción de la entrada de calor que el motor se convierte en trabajo:

Si el motor convierte todo el calor de entrada al trabajo, la eficiencia es 1,0. Si no hay calor de entrada se convierte a trabajar, la eficiencia es 0,0. A menudo, la eficiencia se da como un porcentaje, por lo que usted expresa estos valores como 100 por ciento y 0 por ciento.

Dado que la energía total se conserva, el calor en el motor debe ser igual al trabajo realizado más el calor enviado al disipador de calor, lo que significa que Q_h = W + Q_c. Por lo tanto, se puede reescribir la eficiencia en términos de solo Q_h y Q_c:

He aquí un ejemplo: Digamos que usted tiene una máquina térmica que es 78.0 por ciento de eficiencia y que produce

Tal vez esta es la energía producida por el motor de un coche de la quema de un tanque de combustible. (Nota: la energía equivalente a 1 galón de gasolina es de aproximadamente 1,2 x 10 ^ 8 J) ¿Cuánto calor ¿El uso del motor, y cómo Cuánto rechazan? Bueno, ya sabes que

La solución para Q_h te dio

sobrante y envió al disipador de calor, Q_c? Tu sabes Q_h = W + Q_c, y usted puede cambiar el problema a resolver para Q_c:

Q_c = Q_h - W

La conexión de los números que da

La cantidad de calor enviado al disipador de calor es