torsdag 3 november 2022

Corruption of Modern Physics 10: 2nd Law of Thermodynamics and Energy Crisis

The birth of modern physics is often described as Boltzmann's (attempted and failed) mathematical proof of a 2nd Law of Thermodynamics as the outstanding open problem of late 19th century physics, which introduced a new form of physics as statistical mechanics. This was picked up by Planck in his (attempted) proof of black body radiation, which led into the Born/Bohr Copenhagen interpretation of quantum mechanics based on statistics of atoms playing dice. 

The 2nd Law gives time a direction through the existence of irreversible processes characterised by an inevitable increase of a (mystical) quantity named entropy, which Boltzmann gave a statistical meaning as a tendency of physical processes to move from less probable to more probable states. Boltzmann struggled with the proof through all his life without coming to a resolution. 

In Computational Thermodynamics a New Proof of the 2nd Law is presented, which is not based on statistics but instead on the nature of turbulence as disordered small scale kinetic motion

The 2nd Law originally represented an empirical finding expressed by Carnot concerning the maximal efficiency $\eta$ of a heat engine such as a steam engine converting heat to mechanical energy when operating between temperatures $T_h$ and $T_c$ in Kelvin with $T_h>T_c$, of the form 

  • $\eta =\frac{T_h-T_c}{T_h}$.  (0)  
This relation can be derived from the thermodynamic relation between change of internal (heat) energy $dE$ and mechanical work $pdV$ with $p$ pressure and $dV$ change of volume, of the form 
  • $dE + pdV =0$.   (1)
stating that heat can be transferred to mechanical work only in expansion with $pdV>0$ and then $dE<0$.

We read from (0) that the efficiency $\eta$ of a heat engine increases with temperature difference $T_h-T_c$ (modulo losses).  Conversely, for a heat pump as a heat engine in reverse the efficiency $\frac{1}{\eta}$ decreases with increasing temperature difference. This makes a heat pump, in strong demand to meet the present Energy Crisis, inefficient when delivering hot water from outside air temperature below 0, while rather efficient (modulo losses) when delivering room temperature from ground temperature above 0.

Here (1) represents the balance of heat energy and work for an ideal process absent of losses. For a physical system it takes the following classical form used by Boltzmann
  • $dE + pdV =TdS$,   (2)
where $T$ is temperature and $dS$ change of entropy $S$, while in the New Proof it takes the form
  • $dE + pdV =Q$,   (3)
where $Q>0$ represents losses of turbulent nature. The essence of the 2nd Law in the form (2) is that $dS>0$ as inevitable increase of entropy. On the other hand, in the form (3) $Q>0$ expresses the inevitable appearance of turbulent dissipation as large scale kinetic motion turned into small scale kinetic motion appearing as heat energy which because of finite precision cannot be reversed, as an explanation of the direction of time exposed in The Clock and The Arrow; A Brief Theory of Time.

The basic problem confronting Boltzmann starting from (2) was to motivate why $dS>0$ and to this end he resorted to statistics seeking to connect a physical meaning to entropy $S$ as a measure of order with less ordered systems corresponding to more microstates $W$ being more probable than more ordered systems corresponding to fewer microstates, expressed on his grave stone as $S =\kappa logW$ with $\kappa$ Boltzmann's constant. This brought him into a lifelong struggle which ended in ultimate disorder hanging from a rope. 

The tragic continued with Planck followed by Born also resorting to statistics leading modern physics into a quagmire of roulette games. 

Bottom line: Nobody knows what is entropy based on statistics. Everybody can understand what is turbulent dissipation into heat. Atoms do what they have to do and are not left to decide themselves by playing dice. Compare with Corruption 5.

The main deficiency of classical thermodynamics based on (2), as compared to (3) with its New Proof, is that it considers different possible states with more or less entropy, but not the dynamics between states characterised by more or less entropy production, which is captured computationally in (3) as turbulent dissipation.   

3 kommentarer:

  1. Varför påståendena om CO2 är felaktiga

    Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) berättade ursprungligen för världen på 1980-talet att koldioxid och metan fungerar som en filt i atmosfären som påstås "fånga värme" och på något sätt därmed värmer jordens yta. Flera år senare fann de att det inte fanns några bevis som stödde denna förklaring och istället började de prata om strålning som gick nedåt mot ytan. Denna strålning kom till största delen från vattenånga, koldioxid och metan. Även om det kom från kalla delar av atmosfären antogs det kunna höja temperaturen på den varmare ytan.

    Men professor Claes Johnson bevisade tidigt detta århundrade att denna typ av strålning inte kan värma ytan. Istället genomgår den resonans (eller "pseudo") spridning utan att höja temperaturen alls. Jag skrev om professor Johnsons forskning i min peer-reviewed artikel Radiated Energy and the Second Law of Thermodynamics (Utstrålad energi och termodynamikens andra lag) som hyllades och publicerades på flera webbplatser.

    Men det fanns fortfarande en obesvarad fråga: Varför är den globala medeltemperaturen på jordens yta varmare än direkt solstrålning kan göra det? Det har uppenbarligen något med atmosfären att göra, men det är i första hand med atmosfärens höjd att göra snarare än någon strålning från koldioxid, metan eller vattenånga. Ytan på Venus är mycket varmare, främst för att dess atmosfär är mycket tjockare (vilket betyder högre) än vår. Det lägsta området i planetens atmosfär kallas troposfären och det finns en ganska jämn avkylningshastighet med ökande höjd.

    SvaraRadera
  2. Redan på 1870-talet förklarade en fysiker Josef Loschmidt att denna temperaturgradient faktiskt bildas av gravitation som verkar på enskilda molekyler: temperaturen beror på hastigheten på dessa molekyler (mellan kollisioner) och gravitationen kan påverka den hastigheten. Vi kan nu bekräfta att Loschmidt hade rätt och vi ser denna effekt i varje planetarisk troposfär, även om det finns skäl till varför det inte förekommer i högre regioner eftersom tätheten är otillräcklig i stratosfären och uppåt. Detta fenomen gör det möjligt för oss att nu förstå varför yttemperaturen är vad den är, och jag skrev om detta i min uppsats Planetary Core and Surface Temperatures (Planetära kärn- och yttemperaturer) 2013. Den inblandade värmeprocessen gör det nu möjligt för oss att förstå temperaturer ända ner till kärnan av planeter och månar.

    Den oundvikliga slutsatsen är att världen har blivit allvarligt vilseledd av vad som är felaktig fysik som används av klimatologer. För de med kunskaper i fysik använder de Stefan-Boltzmann-lagen felaktigt när de adderar till solflödet ett ytterligare flöde nästan dubbelt så stort som kommer från atmosfären och de använder sedan denna summa i Stefan-Boltzmanns beräkningar för att "förklara" global genomsnittlig yttemperatur.

    Men denna lag är bara tillämplig för en enda strålningskälla och den källan måste vara effektivare (efter någon dämpning på grund av avstånd) än målet. Det är inte korrekt att lägga till flöde från en annan källa, särskilt från en kallare källa. I verkligheten slutar de med att de måste anta att molekyler på något sätt "vet" att de måste skicka mer strålning nedåt än uppåt. Dessutom visar deras energidiagram (som det till höger på NASA-webbplatsen) mer energi som förmodligen kommer ut från atmosfärens bas än vad solen levererar överst. En atmosfär kan inte skapa energi som denna!

    Det finns mer information på bildsidan, inklusive de senaste temperaturdata som visar att det har skett en global nettokylning sedan 1998. Överväg att titta på min 15 minuters video.

    http://climate-change-theory.com

    SvaraRadera
  3. Email sent to Anthony Watts, Roy Spencer, Judith Curry, Joanne Nova

    At least since the publication of an IPCC paper in 1992 (possibly earlier) they started to guess that back radiation was supplying into the warmer surface the extra thermal energy needed to prop up the observed 288K. People complained that such would violate the Second Law of Thermodynamics. But they brain-washed you all into thinking that only "net" results of inward and outward radiation had to increase entropy.

    That's utter garbage! For a start, their energy diagrams show more inward radiation than outward. Oh, but they think, there is also non-radiative surface cooling. So the net result is cooling. Well, in fact there is warming most mornings where I live, so what is going on there? Radiation can have no effect whatsoever on the rate of evaporation or conduction and convection out of the surface.

    The only "net" results valid for the Second Law relate to interacting systems occurring at the same time. Clausius said as much in his original statement in German in 1854 which translated reads: "Heat can never pass from a colder to a warmer body without some other change, connected therewith, occurring at the same time." The correct current version of the Second Law is the first sentence in Wikipedia "Laws of Thermodynamics" reading "... in a natural thermodynamic process, the sum of the entropies of the interacting thermodynamic systems never decreases."

    That is all that needs to be stated regarding the Second Law - no reference to heat or temperatures being hot or cold - just entropy never decreasing and, in practice, always increasing in any irreversible natural thermodynamic process. Such can include phase change, chemical reactions, physical redistribution of molecules by gravity to form the density gradient, etc. - not just processes involving "heat" which is the word that in physics means an effective transfer of thermal energy.

    The electromagnetic energy in radiation is not always converted to thermal energy in a target. None is converted from a colder source and only some is converted even when the target is cooler as Prof Claes Johnson has explained.

    There is more on this in papers about stimulated emission and resonant (or "pseudo") scattering. Only if the target were at zero K would all the energy in the radiation striking it be thermalized.

    In short, you all have no correct understanding of radiative heat transfer, but maybe Prof Claes Johnson could help you with his writings cited in my peer-reviewed 2012 paper "Radiated Energy and the Second Law of Thermodynamics" linked at http://climate-change-theory.com where there will soon be valid refutation of the Lukewarm conjecture you have both been fooled into believing, and you will be named therein.

    SvaraRadera