Нарушает ли инфракрасная наноантенна II начало термодинамики

[wxthplvl65]

Здравствуйте уважаемые форумчане! Не понимаю одного вопроса ))
Существует второй закон термодинамики - невозможно напрямую превратить температуру (теплоту) в работу. Нужен перепад температур.
Но существуют опытные образцы наноантенн, которые превращают инфракрасное излучение напрямую в электричество. И перепад температур им не нужен.

Или наноантенне тоже нужен перепад температур (она должна быть холодная, иначе сама нагреется и будет излучать ИК в противоположную сторону)

[realeugene]

wxthplvl65 в сообщении #1518155 писал(а):

Или наноантенне тоже нужен перепад температур (она должна быть холодная, иначе сама нагреется и будет излучать ИК в противоположную сторону)

Холодным должна быть не антенна, а устройство, к которому она подключена. Антенна только как зеркало перенаправляет электромагнитное излучение, в том числе, тепловое электромагнитное излучение, между устройством и окружающей средой. Антенны особочувствительных приёмников, также, могут быть охлаждаемыми, так как если в неидеальной антенне есть резистивные потери, и она может нагреваться при передаче сигнала (а потери есть в в большем или меньшем количестве всегда), то она, также, добавляет к принимаемому сигналу тепловой шум своей температуры, с мощностью, пропорциональной величине этих потерь. Всё в точности как с обычным зеркалом: коэффициент излучения равен коэффициенту поглощения.

Так что, нет, не нарушает.

[Emergency]

wxthplvl65 в сообщении #1518155 писал(а):

невозможно напрямую превратить температуру (теплоту) в работу. Но существуют опытные образцы наноантенн, которые превращают инфракрасное излучение напрямую в электричество.

Инфракрасное излучение - это не температура и не теплота.
К тому же есть обычные антенны, которые превращают электромагнитные колебания в электричество, например, при бесконтактной зарядке смартфонов.

[sergey zhukov]

wxthplvl65
На концах любого провода, имющего не нулевую температуру, есть тепловые флуктуации переменного напряжения. Может быть подключить к нему диодный мост с конденсатором и выкачать из него всю тепловую энергию? Конечно, диоды и конденсатор должны иметь нулевую температуру, иначе флуктуации переменного напряжения на них будут возвращать в провод столько же энергии, сколько они из него получают.

Не очевидно, что мешает взять абсолютно холодные диоды и конденсатор и теплоизолировать их так, чтобы они вообще не нагревались. Однако они все же каким-то образом нагреются, система придет в тепловое равновесие и поток энергии прекратится.

[realeugene]

sergey zhukov в сообщении #1518208 писал(а):

На концах любого провода, имющего не нулевую температуру, есть тепловые флуктуации переменного напряжения.

Не любого. Источник тепловых шумов - сопротивление, и только оно. Элемент, при протекании через который тока, выделяется джоулево тепло. Это - важное следствие термодинамики: чисто реактивные элементы, такие, как идеальный конденсатор, не шумят и собственной температуры не имеют. Зато если конденсатор подключить параллельно резистору с некоторой температурой, его энергия будет в среднем равна тепловой энергии одной степени свободы, $kT/2$, где $T$ - температура резистора. Среднеквадратичное напряжение на таком конденсаторе будет $\sqrt{kT/C}$. Если соединение конденсатора с резистором разорвать, на идеальном конденсаторе будет сохраняться мгновенное напряжение в момент разрыва соединения сколь угодно долго, а шум реального конденсатора будет определяться его сопротивлением утечки (именно в этом месте появляется температура конденсатора) и будет ну о-о-очень низкочастотным. Конденсатор с параллельным резистором образуют для напряжения теплового шума резистора фильтр первого порядка, постоянная времени которого $\tau=R C$.

С другой стороны, напряжение теплового шума резистора с сопротивлением $R$ равно $v_n=\sqrt{4k T R \Delta f}$, где $\Delta f$ - спектральная полоса, в которой рассматривается тепловой шум. У идеального резистора $\Delta f = \infty$, и, соответственно, $v_n = \infty$. Но у любого реального резистора есть паразитная межвыводная ёмкость, ограничивающая его рабочий частотный диапазон, и напряжение на нём флуктуирует не так сильно. Прикасаться голыми руками к наподключённым в схему незакороченным резисторам не опасно для жизни. Электродинамика очень хорошо согласована с термодинамикой, и если с идеальными электронными компонентами можно сделать вечный двигатель второго рода, значит, у такого реального элементы обязательно есть не учитываемые паразитные параметры.

Что касается диода - то он демон Максвелла в чистом виде, и, поэтому, идеальным диод быть не может. Но я не хотел бы углубляться в термодинамику диодов, так как могу тут наврать, и совершенно точно в неё не стоит углубляться ТС.

-- 12.05.2021, 12:39 --

Emergency в сообщении #1518194 писал(а):

Инфракрасное излучение - это не температура и не теплота.

Очень часто "инфракрасным излучением" в быту называют именно тепловое излучение предметов.

[sergey zhukov]

realeugene
Да, тут все дело в идеализации. Например, любой реальный конденсатор - это сложная система распределенных емкостей, индуктивностей и сопротивлений. Конечно, он нагревается от проходящего тока. Если же пренебречь его сопротивлением, то колебания электромагнитной энергии в конденсаторе после импульса зарядки/разрядки никогда не затухнут, поэтому он станет источником флуктуаций напряжения, как если бы он нагрелся.

Разбирая подобные частные случаи, начинаешь чувствовать, что второе начало термодинамки - это нечто столь же обязательное, как и закон сохранения энергии. Закон сохранения говорит, что энергия сохраняется, а второе начало - что она всегда рассеивается, т.е. непрерывно течет с макро- на микроуровень. Часто кажется, что второе начало можно обойти. Но рассеивание столь же обязательно, как и сохранение.

[realeugene]

sergey zhukov в сообщении #1518278 писал(а):

колебания электромагнитной энергии в конденсаторе после импульса зарядки/разрядки никогда не затухнут

Не будет никаких колебаний. Будет на конденсаторе сохраняться постоянное напряжение, которое на нём было в момент отключения от шумевшего резистора. Которое будет нормально распределённой случайной величиной с нулевым средним. Заряд сохраняется $\to$ напряжение на конденсаторе сохраняется. При этом от величины резистора, который был подключён к конденсатору, зависит только частотная полоса шума на резисторе, но не дисперсия напряжения на конденсаторе.

[sergey zhukov]

realeugene
Вот интересная задача. Есть идеальный конденсатор емкостью $C$, заряженный до напряжения $u$. Его энергия $E=\frac{Cu^2}{2}$.

К этому конденсатору подключили еще один такой же разряженный идеальный конденсатор. В итоге получился конденсатор емкостью $2C$, заряженный до напряжения $\frac{u}{2}$. Его энергия равна $E=\frac{(2C)(\frac{u}{2})^2}{2}=\frac{Cu^2}{4}$. Куда делась половина энергии исходного конденсатора?

[svv]

sergey zhukov, ещё круче: второй конденсатор заряжен так же, как первый. Соединяем плюс первого конденсатора с минусом второго и наоборот. Получаем нулевую энергию.

[realeugene]

sergey zhukov в сообщении #1518294 писал(а):

Куда делась половина энергии исходного конденсатора?

Неинтересная гиперидеализированная задача. У проводов всегда есть какое-то активное сопротивление, в выделившееся на нём тепло и ушла в конце концов лишняя энергия. В отличие от вашей задачи, тепловой шум на реальном почти идеальном конденсаторе, подключённом к реальному резистору - это вполне практическая задача, через которую можно выводить формулу шумового напряжения резистора. И расчёт вероятностного распределения напряжения на конденсаторе после отключения его от резистора важен в практических применениях, таких, как схемы на переключаемых конденсаторах.

[sergey zhukov]

realeugene
Ответом тут может быть "энергия рассеялась в тепло на сопротивлении конденсатора, которое всегда есть" или "энергия сохранилась, но процесс перераспределения заряда носит колебательный характер и никогда никогда не приходит к равновесному состоянию, если учесть паразитные индуктивности конденсаторов". Мне больше нравится второй вариант.

[amon]

wxthplvl65 в сообщении #1518155 писал(а):

Существует второй закон термодинамики - невозможно напрямую превратить температуру (теплоту) в работу.

А давайте Вы, пока народ тут с найквистовским шумом, к делу отношения не имеющему, разбирается, сформулируете второе начало. Глядишь, и разберемся с вашим вопросом потихоньку.

[realeugene]

sergey zhukov в сообщении #1518298 писал(а):

Мне больше нравится второй вариант.

Который крайне далёк от практики. Гораздо дальше, чем конденсатор без утечек.

-- 12.05.2021, 20:59 --

(Оффтоп)

amon в сообщении #1518301 писал(а):

с найквистовским шумом

Только не с найквистовским, а с джонсоновским ;)

[amon]

(Оффтоп)

realeugene в сообщении #1518322 писал(а):

Только не с найквистовским, а с джонсоновским ;)

В этом месте легко отличить теоретиков от экспериментаторов ;) К стати, "второй вариант" уважаемого sergey zhukov'a, по-моему, обсуждался когда-то, давно-давно, в УФН. Если интересно, могу ссылку поискать.

[realeugene]

(amon)

amon в сообщении #1518355 писал(а):

К стати, "второй вариант" уважаемого sergey zhukov'a, по-моему, обсуждался когда-то, давно-давно, в УФН. Если интересно, могу ссылку поискать.

Непонятно, что тут можно обсуждать? В модели с сосредоточенными параметрами результат соединения идеальными проводниками двух идеальных конденсаторов с разными напряжениями не определён. То есть, нужно выходить в общую электродинамику с распределёнными ёмкостями, индуктивностями и проводимостями. И всё будет немного колебаться и рассеиваться в излучение и тепло, пока колебания не утихомирятся, а потом заряд полностью не стечёт через утечки. Вопрос только до какой степени выходить? Понятно, что ненулевое сопротивление проводов - это физичное приближение, отсутствие утечки в конденсаторах за время эксперимента - физичное приближение, а вот ненулевая идеальная индуктивность с нулевым активным сопротивлением, дающая бесконечные колебания - нефизичное приближение. Т. е. колебания в реальности может и будут, но быстро затухнут, и всё станет так, как будто конденсаторы были соединены просто резистором.