Jugando al límite con la segunda ley de la termodinámica

El calor es una fuente de energía (en las máquinas y motores térmicos) y estamos rodeados de fuentes de calor por doquier (por ejemplo, nuestro propio cuerpo). ¿Podríamos obtener “energía gratis” de un foco de calor? Las leyes de la termodinámica indican que es posible obtener energía útil si además del foco caliente tenemos un foco frío, pero lo de “gratis” es otra cosa. Muchos científicos “locos” (cranks en inglés) están tratando de esquivar estas leyes, pero la opinión generalizada es que es imposible (aquí sirve el famoso dicho, nada es gratis). Me ha sorprendido leer un par de artículos con nuevas ideas al respecto. Permíteme unos comentarios.

Parthiban Santhanam (MIT, EE.UU.) y sus colegas han publicado en la prestigiosa Physical Review Letters un nuevo diodo emisor de luz (LED) que emite más energía luminosa de la energía eléctrica que consume; los autores afirman que su eficiencia es del 200% (sí, has leído bien, 200%). El dispositivo actúa como una bomba de calor óptica que transforma las vibraciones térmicas de la red cristalina del material en fotones infrarrojos, enfriando el entorno en el proceso. Este tipo de dispositivo fue predicho por el checo J. Tauc en 1957 y no viola las leyes de la termodinámica (aunque parezca lo contrario). Un dispositivo con un rendimiento experimental del 200% salido de un laboratorio del MIT da que pensar, aunque no cuestione la segunda ley de la termodinámica, según el propio Santhanam. Más información en “LED converts heat into light,” IOP physicsworld.com, Mar 8, 2012, y el artículo técnico es Parthiban Santhanam, Dodd Joseph Gray, Jr., and Rajeev J. Ram, “Thermoelectrically Pumped Light-Emitting Diodes Operating above Unity Efficiency,” Phys. Rev. Lett. 108, 097403 (2012).

Zihan Xu (Universidad Politécnica de Hong Kong) y sus colegas han enviado a publicación una batería que funciona sin interrupción a partir del calor ambiental, basada en una lámina de grafeno entre dos contactos metálicos (oro y plata) en una disolución de cloruro de cobre. Los autores afirman que el secreto es que los electrones en el grafeno se mueven mucho más rápido que los iones en la disolución. Según los autores no hay conversión de energía química en electricidad como en las baterías convencionales, sino que el dispositivo aprovecha la energía térmica del entorno. El problema es que la termodinámica exige un foco frío y el artículo no explica cuál es. Aún así, estos investigadores afirman que la batería ha estado 20 días funcionando sin parar. Me he enterado gracias a la traducción “¿Batería térmica de grafeno?,” NeoTeo, 21 de Marzo de 2012, del artículo “Graphene in new ‘battery’ breakthrough?,” IOP physicsworld.com, Mar 8, 2012. Por el formato del preprint tiene toda la pinta de que lo han enviado a la revista Nature o Nature Physics, ya veremos qué pasa con la revisión, que será dura y complicada para los autores; los interesados en el artículo técnico disfrutarán con Zihan Xu, Guoan Tai, Yungang Zhou, Fei Gao, Kin Hung Wong, “Self-Charged Graphene Battery Harvests Electricity from Thermal Energy of the Environment,” ArXiv: 1203.0161.

14 Comentarios

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alb.

A pesar de su inexistencia, los móviles perpetuos han resultado muy útiles para el avance de la ciencia. Seguro que en la búsqueda del polo frio del grafeno aprendemos cosas interesantes.

belén estebanbelén esteban

Àlvaro, esto es lo que decía Carnot y cualquiera que defiende la muerte térmica. de hecho es lo que pone en los libros.Yo tampoco lo entiendo muy bien… por eso lo he preguntado.

mele alvarezmele alvarez

Si intuyo que es posible tener mayor energia de lo recibido. Un hecho es la iducción y otro es le proceso directo.

AntonioAntonio

¿ Y no se podría utilizar esto para poder disipar más eficientemente la calor generada por cpu’s, gpu’s y componentes electrónicos en general y deshacernos de los ventiladores grandes, ruidosos y acumuladores de polvo actuales ?

Y de paso ser más eficientes y utilizar parte de la calor generada para re-alimentar el sistema.

Gracias.

BrunoBruno

Al parecer, las leyes de la termodinámica no rigen en todo lo referente a la luz. Sin ir más lejos, todos sabemos que las tarifas eléctricas en España están muy por debajo del coste real de la energía, y sin embargo, todos los años las compañías eléctricas presentas beneficios multimillonarios a sus accionistas. ¿Por qué os sorprende entonces, que el susodicho LED tenga una ganancia del 200%? Ya deberíais estar acostumbrados a los milagros de la luz!

JaviJavi

Un sistema cerrado cualquiera también tenderá al máximo de entropía en su interior, pero la temperatura ensu interior será esencialmente constante, porque precisamente es cerrado, no pierde energía. El universo se aproximará a 0ºK si (como parece que es así por el momento) continúa la expansión indefinidamente.

No soy experto ni nada, pero no veo porqué llevar la entropía al máximo tenga que reducir la temperatura.

Un saludo

belén estebanbelén esteban

Javi, bueno, la temperatura sólo indica la energía cinética promedio de las partículas de un sistema. Si tengo un sistema con 3 partículas A, B y C donde Ec(A)=1, Ec(B) =2 y Ec(C)= 3 la temperatura del sistema reflejará precisamente la Ec promedio (ecuación de Boltzmann). En este caso la Ec(promedio) es 2 julios ¿Significa eso que la energía del sistema son 2 Julios? No, la energía del sistema en principio son 6 Julios (1+2+3).

Bien, la entropía dice que es más probable encontrar Ec(A)=1, Ec(B)=2 y Ec(C)=3 que Ec(A,B,C)=2. En los dos casos la temperatura es la misma porque la Ec(promedio) es la misma, pero el primer caso tiene más grados de libertad, o sea, mayor entropía.

Imagínate ahora que cada una de las 3 partículas degenera y se divide en dos partículas con la mitad de masa; ahora tenemos 6 partículas (supongamos que no ha habido pérdida total de masa y por tanto, no se ha liberado realmente energía). Tenemos por lo tanto un sistema cerrado con A, B, C, D, E, F. y lo que se tiene que mantener es que Ec (total) sea constante, o sea, Ec(Total) = 6 Julios, como antes. Pero ahora tenemos por ejemplo que Ec(A,B,C) = 0, Ec(D)=1, Ec(E)=2 y Ec(F)=3.

Ante este caso, Ec(total)=1+2+3+0+0+0=6. Pero Ec(promedio) =1 por tanto, a temperatura del sistema baja sin que la energía total lo haga. Y no solo eso, sino que la entropia del sistema ahora es también algo menor que antes.

Técnicamente, pues, en un sistema aislado al aumentar la entropía la temperatura puede caer y no por eso el sistema pierde energía.

belén estebanbelén esteban

Otra cosa javi, de hecho piensa que la ecuación clásica de entropía S=dQ/T, S sólo puede adquirir un màximo cuando T= 0 K, entendiendo que Q siempre debe de ser un valor finito.

schlesierschlesier

This physical effect was already described in detail in a patent application filed in 2007 to the German Patent Office (DE202007010981U1). This “discovery” of the MIT physicists replicates and confirms only the older german experiment. There is no reference in the manuscript to this patent application…

JavierJavier

Belén, me has convencido. No había pensado en el mecanismo de que aumentara el número de partículas. Y respecto a lo de la ecuación clásica de la entropía, pues sí, también.

jlblanco

Por definición NO pueden existir temperaturas absolutas negativas. A menos que donde lo hayas leído redefinan “temperatura” de alguna forma no convencional es, desde luego, imposible, porque el cero absoluto significa energía cero y no hay “energía negativa”. Un saludo.

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