¿Cuánto trabajo / potencia es capaz de hacer 1 Joule de energía? [cerrado]

Parece que hay una confusión entre el concepto de física de "trabajo" y varios otros significados de "trabajo".

Si C1 comienza con 1J, y transfieres la energía sin pérdida entre C1 y C2, entonces C1 hará 1J de trabajo en C2. Si luego transfieres la energía nuevamente, C2 hace 1J de trabajo en C1.

¿Crees que eso significa que se ha realizado 2J de trabajo? Parece que 1J de trabajo se ha 'hecho' dos veces. Entonces, ¿qué está pasando?

La clave es que el trabajo se ha hecho de manera reversible, lo cual es una condición necesaria para que se realice sin pérdidas. Si conectáramos C1 y C2 con una resistencia para igualar sus voltajes, entonces se realizaría un trabajo irreversible en la resistencia. Terminaríamos con 0.25J en cada condensador y 0.5J de calor en la resistencia, que se pierde en el ambiente.

Sin embargo, si conectamos C1 y C2 con un inductor sin pérdidas, y cronometramos los eventos de conexión y desconexión correctamente, entonces podemos mover toda la energía de una a otra. No se realiza ningún trabajo en el entorno, todo el trabajo se realiza en el otro condensador, y eso deja al otro condensador con la capacidad de hacer 1J de trabajo , que es exactamente lo mismo que decir que tiene 1J de energía almacenada en él.

No se necesita trabajar en nada más que con los dos condensadores involucrados para mover esa energía entre C1 y C2, en el mundo ideal que es.

Si desea un sistema conceptual más simple donde se está trabajando una y otra vez, considere un péndulo sin pérdidas. El trabajo se realiza a partir de la energía potencial de la bobina, ya que pierde altura en la energía cinética de la bobina, y luego de nuevo.

Para profundizar más en esto, entonces realmente necesitas dirigirte a la pila de Física y preguntar sobre entropía, Carnot, termodinámica, procesos reversibles, etc.

Luego de más aclaraciones a través de la discusión de comentarios, creo que entiendo cómo responder a la pregunta del OP, que fue ...

Q) Tenemos un sistema de 2 condensadores y un inductor, donde un condensador se carga inicialmente a 1 J, y la energía se transporta de un condensador al otro a través del inductor, cuando se conmuta con la temporización adecuada. ¿Cuánta energía total se puede mover entre los condensadores, si contamos cada transferencia de energía como positiva?

A) En primer lugar, simplifiquemos el sistema.

Una vez que la energía se ha almacenado en el inductor, no importa si se devuelve al mismo o a otro condensador. Por lo tanto, lo devolveremos al mismo condensador. Esto elimina la complicación de un interruptor temporizado adecuadamente, ya que solo podemos considerar un circuito de tanque LC que está resonando.

Primer trato con el caso sin pérdidas. La energía positiva movida se acumula hasta el infinito, si esperamos un tiempo infinito.

A continuación, considere el caso con pérdida. Si el circuito tiene resistencia, entonces para cada ciclo, una cierta cantidad de energía se perderá como calor en la resistencia, y el resto se almacenará nuevamente en el condensador. Llamemos a esta fracción devuelta al condensador \ $ \ alpha \ $.

Si comenzamos con 1J de energía almacenada, luego de un ciclo, la cantidad devuelta al condensador es \ $ \ alpha J \ $, hemos perdido \ $ (1- \ alpha) J \ $ por la resistencia como calor, y hemos hecho (en el sentido del OP) \ $ \ alpha J \ $ de trabajo dentro del sistema.

En el segundo ciclo, logramos devolver solo \ $ \ alpha ^ 2 J \ $ al capacitor. El trabajo total realizado es \ $ (\ alpha + \ alpha ^ 2) J \ $.

Después de tres ciclos, el trabajo realizado del OP se suma a \ $ (\ alpha + \ alpha ^ 2 + \ alpha ^ 3) J \ $.

Aunque (al menos en física clásica) la oscilación continuará por siempre, y por lo tanto, esta es una serie infinita, esta serie tiene una suma finita, y la suma S es \ $ S = \ frac {1} {1- \ alpha} \ $.

Y esta es la respuesta a la pregunta del OP. Si x fracción (por ejemplo, 5%) de la energía transferida se pierde por la resistencia en cada transferencia, entonces se habrá transferido una magnitud total de 1 / x J (en el caso del 5%, 20J), para una inversión inicial de 1J.

Tenga en cuenta que en este tiempo, la pérdida total de resistencia, es decir, que se mueve fuera del sistema original, es exactamente 1J.

Todo lo que significa esta suma de 20J de energía transferida físicamente, o si vale la pena calcularla, es otra cuestión. Es interesante, en cierto sentido, pero eso es todo.

Después de una larga conversación de comentarios, está claro que el OP desea una interpretación diferente a esta pregunta.

P) ¿Cuánto trabajo es 1J de energía almacenada en un capacitor capaz de hacer?

A) La respuesta es una cantidad infinita de trabajo. Mientras almacenemos el trabajo que realiza en una forma diferente, luego lo devolvemos sin pérdidas para que pueda hacerse de nuevo, y totalizando la magnitud del trabajo realizado, podemos reciclar este 1J de energía sin cesar.

Lamentablemente, el trabajo es una cantidad firmada, lo que hace que no tenga sentido acumular su magnitud.

Cuando C1 está trabajando en C2 para mover el 1J de energía de C1 a C2, el voltaje y la corriente definen el flujo de energía. Cuando C2 devuelve la energía a C1, uno u otro de tensión y corriente se invierten, el trabajo de C1 a C2 ahora es negativo. El trabajo total realizado por C1 en C2 vuelve a cero.

Lo que esto significa es que lo que el resto del mundo significa por trabajo, el movimiento de energía de un lugar a otro, que por supuesto está firmado, y lo que significa el OP por trabajo, que parece tener alguna convención contable donde Siempre se puede considerar positivo por alguna razón, son diferentes.

Se me ocurre una analogía, la forma en que los políticos podrían contar el poder de gasto del dinero gastado en la infraestructura del gobierno. El dinero es ganado por una empresa, por lo que cuenta como ingresos. Se paga a los trabajadores como salarios, que gastan en tiendas locales, por lo que cuentan como ingresos. Los dueños de las tiendas luego lo gastan en otro lugar, por lo que se cuentan como ingresos. Así que los £ 1bn iniciales han generado mucho más que los ingresos de £ 1bn. ¿Por qué los políticos hacen esto? Por lo tanto, puede ser gravado, en cada transferencia de una persona a otra. ¿Cuál es el impuesto máximo que se puede aumentar con una inyección inicial de £ 1 mil millones en la economía? La respuesta es £ 1bn, no más.

Ahora veamos las transferencias con pérdidas de C1 a C2. Cada transferencia es 'gravada', al perder algo de energía en la resistencia. ¿Cuál es el impuesto máximo que se puede extraer de este 1J inicial de energía en C1? Es exactamente 1J, no más. No importa si cada transferencia pierde 1mJ, y nosotros hacemos 1000 de ellos, o 1uJ y hacemos un millón, ese es el impuesto de pérdida de resistencia máximo que podemos recaudar. De acuerdo con la contabilidad del OP, en el primer caso hemos realizado 1000 transferencias de un promedio de 0.5J, cambiando 500J, y en el segundo caso, 1000000 transferencias cambiando 500kJ. Es cierto, pero físicamente sin sentido.

En la conversación de comentarios continuos, me di cuenta del hecho de que el OP se estaba acercando a la adopción de energía libre. Debería haberme tomado eso más en serio en ese momento, ya que muestra la falla en su pensamiento. El comentario que hizo fue (mi negrita) ...

  

Ok entonces, ¿quieres que sea significativo? ¿Quieres ponerle una etiqueta? Luego, intente colocar una rueda con algunos imanes sobre el inductor, haga coincidir las oscilaciones con él y observe el trabajo ahora sin sentido que no tiene importancia física para realizar un trabajo físico aún mayor . Pero estoy divagando, no deseo complicar aún más esta multiplicación y aumento aparentemente simplista, sin sentido e insignificante de la energía, el poder y el trabajo, todo desde el mismo 1 Julios de energía. Por supuesto, a menos que desee continuar haciéndolo, entonces sea mi invitado

¿Una rueda con algunos imanes? Eso es un motor. Eso abstrae la energía del sistema. Digamos que C1 hace 1J de trabajo, que consiste en 10mJ para girar la rueda magnética, y 0.99J en el otro condensador. Ahora solo tienes 0.99J almacenado. Cuanto más saque en la próxima transferencia, se reducirá aún más.

No importa la cantidad de transferencias de energía que se realicen, la magnitud del trabajo realizado hacia atrás y hacia adelante, solo se puede extraer un máximo de 1J en el indicador del imán de la rueda antes de que la cantidad de energía almacenada sea cero. No tiene sentido hablar sobre la magnitud del trabajo que se realiza de un lado a otro, ya que no puede hacer más trabajo en un sistema externo que la cantidad de energía almacenada en el primer sistema para comenzar con .