es ist laut Carnot unmöglich (in einem Kreisprozess) Wärme vollständig in eine andere Energieform umzuwandeln.
Ich versuche nun schon seit längerem meinen Denkfehler in folgender Überlegung zu finden und hoffe Ihr könnt mir weiterhelfen:
In einem System ist ein Medium komplett von seiner Umwelt abgetrennt, also auch perfeckt isoliert so das keine Wärme an die Umwelt übergehen kann. Ein Teil der Wärme im Medium ist als Stahlungswärme (z.B. im Infraroten Bereich) im System enthalten. Wird nun in das System eine Fotovoltaikzelle eingerbacht die bei dieser Strahlung arbeitet und anschließend die Elektrische Energie an die Umwelt abgeführt dann hätte man durch nichst weiter als das Abkühlen des Systems Energie gewonnen. Dabei würde auchd er Wirkungsgrad der Fotovoltaikzelle keine Rolle spielen, da die nicht gewandelte Energie in Form von Wärme im System erhalten beleibt.
Wo mache ich einen Denkfehler?
Oder anderst gefragt: Wiederspricht nicht bereits das Ausseden von Wärmestrahlung eines Mediums der Aussage von Carnot?
es ist laut Carnot unmöglich (in einem Kreisprozess) Wärme
vollständig in eine andere Energieform umzuwandeln.
Ich finde es wichtig, dass man bei derlei Überlegungen die Begriffe sauber verwendet. Korrekt müsste es heißen:
„Es gibt keine zyklisch arbeitende Maschine, die nichts weiter bewirkt, als einem Wärmereservoir Wärme zu entziehen und Arbeit zu verrichten.“
In einem System ist ein Medium komplett von seiner Umwelt
abgetrennt, also auch perfeckt isoliert so das keine Wärme an
die Umwelt übergehen kann. Ein Teil der Wärme im Medium ist
als Stahlungswärme (z.B. im Infraroten Bereich) im System
enthalten. Wird nun in das System eine Fotovoltaikzelle
eingerbacht die bei dieser Strahlung arbeitet und anschließend
die Elektrische Energie an die Umwelt abgeführt dann hätte man
durch nichst weiter als das Abkühlen des Systems Energie
gewonnen. Dabei würde auchd er Wirkungsgrad der
Fotovoltaikzelle keine Rolle spielen, da die nicht gewandelte
Energie in Form von Wärme im System erhalten beleibt.
Wo mache ich einen Denkfehler?
Es handelt sich nicht um eine zyklisch arbeitende Maschine.
Wenn Du die Wärmequelle so konstruieren würdest, dass Du z. B. durch Verbrennen eines Energieträgers ständig Energie nachführst, so dass sie beliebig lange arbeiten kann, dann musst Du die Solarzellen kühlen, weil sie sonst irgendwann im thermodynamischen Gleichgewicht mit ihrer Umgebung sind und dann nicht mehr arbeiten. Das Kühlwasser stellt dann das kalte Reservoir dar, dass ständig Wärme aufnehmen muss.
So es denn nun diese Solarzelle geben würde, die bei der
Infrarotstrahlung Strom produziert.
Da spielt dir nämlich ein gewisser Herr Einstein böse mit.
Damit es zu einer Ladungstrennung kommt, die ja nunmal die Grundlage
des photovoltaischen Effektes ist, muss das Photon eine gewisse
Energie mitbringen. Und diese Energie liegt nunmal ganz wo anders
als die Strahlung bei einem Körper mit z.b. 300 Kelvin.
Nein, die Solarzelle kann nicht ins thermische Gleichgewicht mit ihrer
Umgebung kommen. Zumindest die postulierte Supersolarzelle nicht.
Annahme : Wärmereservoir ist ein Metallklotz, dem du von aussen z.b.
mittels Thermoöl Wärme zuführst.
Das ganze (also Klotz + Solarzelle) befindet sich im Vakuum, also
nur Strahlungsaustausch.
Thermisch im Gleichgewicht wäre die Solarzelle mit dem Klotz,
wenn sie beide die gleiche Temperatur hätten. In diesem Fall würde
die Solarzelle gleichviel Strahlung aussenden wie einfangen.
Nun, da die Solarzelle aber immer sagen wir einen Wirkungsgrad von 1%
hat, kann sie garnicht soviel Wärmestrahlung aussenden wie sie
einfängt. Sie führt einen teil der Wärmestrahlung ja als Elektrizität
nach aussen ab und kühlt sich so ab. Also würde
sie kälter werden. Hier ist zumindest der zweite Hauptsatz verletzt.
Und zwar mit dem klassischen Beispiel (Irgendsoein Thermodynamiker
hat den zweiten Hauptsatz mal so formuliert: Es gibt keine
Maschine, die einen Körper unter Umgebungstemperatur abkühlt und
dabei Energie produziert, es war glaube ich Max Planck).
Doch. Das nennt sich dann Thermoelement. Ob das ein pn-Übergang oder eine Grenzschicht zwischen zwei Metallen ist, ist für diese theoretische Überlegung ja zweitrangig. Es ist aber auch klar, dass das Thermoelement am anderen Ende gekühlt werden muss.
Annahme : Wärmereservoir ist ein Metallklotz, dem du von
aussen z.b.
mittels Thermoöl Wärme zuführst.
Das ganze (also Klotz + Solarzelle) befindet sich im Vakuum,
also
nur Strahlungsaustausch.
Thermisch im Gleichgewicht wäre die Solarzelle mit dem Klotz,
wenn sie beide die gleiche Temperatur hätten. In diesem Fall
würde
die Solarzelle gleichviel Strahlung aussenden wie einfangen.
exakt.
Nun, da die Solarzelle aber immer sagen wir einen Wirkungsgrad
von 1%
hat, kann sie garnicht soviel Wärmestrahlung aussenden wie sie
einfängt.
Wer sagt denn, dass sie einen Wirkungsgrad von einem Prozent hat? Meiner Meinung nach hat sie ab einer bestimmten Temperatur einen Wirkungsgrad von 0.
Sie führt einen teil der Wärmestrahlung ja als
Elektrizität
nach aussen ab und kühlt sich so ab. Also würde
sie kälter werden. Hier ist zumindest der zweite Hauptsatz
verletzt.
Eben. Allerdings stellt der 2. HS nur eine Tatsache fest und erklärt nicht ihre Ursache. Das muss man von Fall zu Fall unterschiedlich betrachten. Ich habe das in diesem Fall versucht. Meiner Meinung nach erwärmt sich eine Solarzelle so lange, bis sie im thermoynamischen Gleichgewicht mit dem Ofen ist, in dem sie sich befindet. Schließlich nimmt sie Entropie auf. Wenn sie sich nicht erwärmen würde, müsste sie diese Entropie in irgendeiner Form abgeben, aber wohin? An den Ofen kann sie sie nicht zurück geben, also muss sie nach außen abgegeben werden. Voila!
Und zwar mit dem klassischen Beispiel (Irgendsoein
Thermodynamiker
hat den zweiten Hauptsatz mal so formuliert: Es gibt keine
Maschine, die einen Körper unter Umgebungstemperatur abkühlt
und
dabei Energie produziert, es war glaube ich Max Planck).
Das war Planck, aber er hat es etwas strenger formuliert. Insbesondere stand da „zyklisch“ und „Arbeit“…
Man kann dazu erwähnen, das Licht einer sehr hohen Temperatur entspricht.(Temperatur des physikalischen schwarzen Strahlers).
Auch gibt es keine Solarzelle, die solch hohen Temperaturen standhalten.
Dieses Diagram von Carnot beschreibt lediglich die Eigenschaften bei Kolbenmaschinen oder besser Expansions- und Kompressionsvorgängen und deren Verluste.
Diese Vergleiche taugen nicht so besonders, nur um festzustellen:
Energie ist Energie.
Eine Solarzelle wandelt elektromagnetische Strahlung in Strom um. Ein Thermoelement wandelt Wärme in Strom. Genauer gesagt wandelt das Thermoelement eine Temperaturdifferenz und den damit verbundenen Wärmefluss in Strom. Ein TE funktioniert also nur, wenn eine Seite gekühlt wird. Damit wäre in diesem Falle das geschlossene System schon wärmetechnisch geöffnet und nicht erst über den abfließenden Strom.
dass das Thermoelement am anderen Ende gekühlt
werden muss.
Da hast Du den Hinweis selbst gegeben und kommst zu so einer falschen Interpretation!
Das ist mir klar. Ich meinte damit eine Black Box, die einen Wärmestrom nutzt, um direkt elektrische Energie zu erzeugen. Wenn wir davon ausgehen, dass es eine solche Black Box gibt, dann muss sie - unabhängig von ihrem Innenleben! - den 2. HS der TD erfüllen.
dass das Thermoelement am anderen Ende gekühlt
werden muss.
Da hast Du den Hinweis selbst gegeben und kommst zu so einer
falschen Interpretation!
Ich halte meine Interpretation nach wie vor für richtig. Wenn Du mich vom Gegenteil überzeugen möchtest, kannst Du mir ja mal erklären, was die Solarzelle mit ihrer aufgenommenen Entropie macht.
Die nicht nutzbare Strahlung wird in Wärme umgewandelt. Das ist vermutlich das, was du mit Entropie meinst. Das hat aber nichts mit einer Wärmekraftmaschine zu tun, da aus der Erwärmung an sich kein Strom gewonnen wird.
die nutzbare Strahlung wir im Gitter des Halbleiters in Strom umgewandelt. Das geht dann in den Bereich Quantenmechanik und hat ebenfalls nichts mit einer Wärmekraftmaschine zu tun. Folglich unterliegt die Solarzelle auch nicht den gleichen Wirkungsgradbeschränkungen wie eine WKM.
Die nicht nutzbare Strahlung wird in Wärme umgewandelt. Das
ist vermutlich das, was du mit Entropie meinst.
Muss ich Dir jetzt Nachhilfe in Thermodynamik geben oder wie? Der erste Hauptsatz lautet
dU = δQ + δW = T dS - p dV
Da dV offensichtlich Null ist, wird die gesamte Energie an die Solarzelle in Form von Wärme übergeben (Da wird nichts umgewandelt, Strahlung ist eine Form von Wärme). Natürlich führt die Übergabe von Wärme stets auch zu einer Übergabe von Entropie.
Mikroskopisch bedeutet das eine elektronische Anregung: Elektronen haben im Leitungsband eine höhere Entropie als im Valenzband. Dieser Vorgang ist notwendig, um überhaupt elektrische Energie zu erzeugen.
Also nimmt die Solarzelle Entropie auf. Wir sind bei der Frage, ob das System im Dauerbetrieb elektrische Energie abgeben kann oder nicht. Sie kann das genau dann, wenn sie ihre Entropie konstant halten kann. Das schafft sie genau dann, wenn sie die (notwendigerweise) aufgenommene Entropie wieder abgibt. Also muss sie gekühlt werden, und zwar von außen.
Wird sie nicht gekühlt, so steigt ihre Temperatur soweit an, bis sie im thermodynamischen Gleichgewicht mit ihrer Umgebung steht. Dann ist dQ = 0, d. h. es wird überhaupt keine Energie mehr abgegeben.
die nutzbare Strahlung wir im Gitter des Halbleiters in
Strom umgewandelt. Das geht dann in den Bereich
Quantenmechanik und hat ebenfalls nichts mit einer
Wärmekraftmaschine zu tun. Folglich unterliegt die Solarzelle
auch nicht den gleichen Wirkungsgradbeschränkungen wie eine
WKM.
Herzlichen Glückwunsch zur Erfindung eines Perpetuum Mobiles 2. Art!
Ich habe gerade bei Wikipedia gefunden, die Dich bestimmt interessieren wird.
"Der 2. Hauptsatz verlangt, dass Maschinen, die Wärme und Wärmestrahlung (zum Beispiel Solarzellen) in andere Energieformen umwandeln, vier Voraussetzungen erfüllen müssen:
Es muss einen heißen und einen kalten Punkt geben
Eine Wärmekraftmaschine arbeitet zwischen dem heißen und dem kalten Punkt
Die Wärme fließt durch die Wärmekraftmaschine, die nun einen Teil der Wärme in höherwertige Energieformen umwandeln kann
Ein anderer Teil der Wärmeenergie wird von der Maschine an den kalten Punkt durchgeleitet."
Hier wird die Solarzelle sogar ausdrücklich als Wärmekraftmaschine bezeichnet.
Das dürfte ja dann alle noch verbliebenen Unklarheiten beseitigen.
Soweit war ich nun denn auch schon. Also entschuldige vielmals die hitzige Debatte. das ganze liegt bei mir wohl schon etwas zu lange zurück. Wieder was gelernt.
Nun aber!
Das ist doch die Würze von w-w-w. Wenn hier immer nur ein Oberlehrer perfekte Antworten gäbe, würde hier niemand mehr mitlesen. Die (ggf. widerlegten) Argumente sind es doch, die das Nachdenken überhaupt erst anregen. Also nur weiter so!
Gruß
loderunner
Hallo
Nimm doch einfach ein ganz anderes Beispiel.
In einem Behälter wie einer Thermoskanne ist es heiß, z.B. 500 Grad.
Die Wärme kann nicht heraus, weil die Thermoskanne ideal ist.
Nun kommt eine Antenne mit winziger Durchführung hinein.
Diese Antenne kann die elektrische Energie der Wärmestrahlung in ein Kabel leiten, welches natürlich ebenso winzig sein muß, um die Wärme nicht abzuleiten.
Die elektrische Energie im Kabel kann beliebig verwendet werden.
Funktioniert doch oder?
Ich meine auch, das es reale technische Entwicklungen geben könnte, die Energie umwandeln und somit ohne Temperaturgefälle entziehen kann.
Man soll doch nicht gleich alles von vornherein sofort erschlagen.
MfG