Entropie der in den Weltraum emittierten Strahlung

Ok, also hier ist meine Antwort auf meine eigene Frage:

Von den drei Optionen, die ich in der Frage vorgestellt habe, lautet die Antwort 1: Die Emission von Strahlung in den Weltraum ist eigentlich ein irreversibler Prozess. Zuerst konnte ich mir nicht vorstellen, wie das der Fall sein könnte, weil die Energieübertragung vom heißen Körper zum ausgehenden Strahlungsfeld keine Temperaturänderung beinhaltet, also schien es so, als ob es reversibel sein sollte. Was ich nicht berücksichtigt hatte, ist, dass der Körper nicht nur mit dem ausgehenden Strahlungsfeld interagiert, sondern auch mit dem einfallenden (dh dem kosmischen Mikrowellenhintergrund im Fall eines Sterns).

Eine nützliche Metapher ist ein Wärmetauscher, in den ein Rohr eintritt, das kaltes Wasser (Temperatur$T_C$), die mit einem Körper bei höherer Temperatur in Kontakt gebracht wird$T_H$bis es sich ausgleicht. Ein weiteres Rohr führt das warme Wasser hinaus.

Obwohl die austretende Flüssigkeit die gleiche Temperatur wie der Festkörper hat, ist klar, dass dies ein irreversibler Prozess ist. Die Entropie entsteht nicht beim Abtransport von warmem Wasser an$T_H$sondern bei der Erwärmung von Wasser aus$T_C$zu$T_H$.

Ein Stern kann als analoge Art "kosmischer Wärmetauscher" angesehen werden. In diesem Fall müssen wir uns ein kleines Raumvolumen vorstellen, das eine kleine Menge kosmischer Mikrowellen-Hintergrundenergie enthält$3\:\mathrm{K}$mit dem Stern in Kontakt kommen und aufgeheizt werden$6000\:\mathrm{K}$, und dann wieder weg.

Man sollte sich diese Raumvolumina als mit Lichtgeschwindigkeit bewegend vorstellen. Wie beim Wärmetauscher ist der Transport der$6000\:\mathrm{K}$Abstrahlung vom Stern ist ein reversibler Prozess, der aber die "Aufheizung des Weltalls" ausmacht$3\:\mathrm{K}$zu$6000\:\mathrm{K}$ist irreversibel und erzeugt Entropie.

In meiner Frage habe ich gefragt, was passieren würde, wenn diese Strahlung von einem kälteren Körper absorbiert würde, da es so aussieht, als ob die Entropie abnehmen kann. Zum Beispiel, wenn$U$Joule Wärmestrahlung bei$4000\:\mathrm{K}$(mit Entropie$\frac{4}{3}\cdot\frac{U}{4000} = \frac{U}{3000}\:\mathrm{JK^{-1}}$) wurden von einem Körper bei absorbiert$3500\:\mathrm{K}$dann würde die Entropie des Körpers nur um zunehmen$\frac{U}{3500}\:\mathrm{JK^{-1}}$und es scheint, als ob die Gesamtentropie abgenommen haben muss. Wenn der zweite Körper jedoch die gesamte Strahlung absorbieren kann, muss er ein schwarzer Körper sein und daher gemäß dem Stefan-Boltzmann-Gesetz eine eigene Schwarzkörperstrahlung emittieren$A\sigma T^4$(mit A seiner Oberfläche und$\sigma$die Stefan-Boltzmann-Konstante). Es stellt sich heraus, dass, wenn Sie die Entropie dieser ausgehenden Strahlung berücksichtigen, die gesamte Entropieproduktion immer positiv ist. (Es sei denn, der absorbierende/emittierende Körper hat die gleiche Temperatur wie das Strahlungsfeld, in diesem Fall ist es Null, wie wir im Fall des thermischen Gleichgewichts erwarten sollten.) Dies ist wie ein umgekehrt arbeitender Wärmetauscher mit warmem Wasser mit einem kalten Körper in Kontakt kommen und kaltes Wasser herauslaufen. Wenn Sie vergessen haben, die Entropie des kalten Wassers zu berücksichtigen, könnte es so aussehen, als würde die Gesamtentropie abnehmen.

Abschließend sollte ich sagen, warum mein Argument, dass die ausgehende Strahlung keine Arbeit gegen einen Kolben leistet, nicht funktioniert. Stellen Sie sich folgendes Gedankenexperiment vor. Zuerst füllen wir einen Kolben reversibel mit Wärmestrahlung, wie in der Frage beschrieben. Dann machen wir ein kleines Loch in den Zylinder und lassen diese Strahlung in den Weltraum entweichen. Diese austretende Strahlung ist genau die gleiche wie Schwarzkörperstrahlung. Die Entropie der Strahlung im Zylinder kann nicht abnehmen, wenn sie durch das Loch geht, und daher muss ihr Entropiefluss mindestens sein$\frac{4}{3}\frac{u}{T}$.

Betrachten wir einen undichten Behälter mit Schwarzkörperstrahlung. Der Vorgang des Austritts von Strahlung wurde umgekehrt, wenn die ausgetretene Strahlung in einem Behälter gesammelt wurde, der die gleiche Größe wie der ursprüngliche Behälter hat. Die Strahlung kann mit Spiegeln auf den Sammelbehälter gelenkt werden. Aber die gesamte Strahlung kann nicht in den Container eingefangen werden, es sei denn, es gibt ein Maxwell-Dämon-Ding, das eine Art Tür öffnet und schließt. (weil Photonen zu unterschiedlichen Zeiten eintreffen)

Es scheint, dass die gesamte Entropie der Schwarzkörperstrahlung von Photonen mit unterschiedlichen Erzeugungszeiten verursacht wird, denn wenn es keinen Unterschied in den Erzeugungszeiten gäbe, könnte der Strahlungsprozess umgekehrt werden.

Dieses Papier ist kristallklar: http://www.csupomona.edu/~hsleff/PhotonGasAJP.pdf

Schwarzkörperstrahlung transportiert nicht nur "Wärme", sondern auch "Arbeit", sie könnte einen Kolben bewegen.

Q ist nicht immer gleich U (nur in einem irreversiblen Empfänger), in einem reversiblen Empfänger könnte 1/3 U in Arbeit umgewandelt werden

In dem ursprünglichen Beitrag bemerkte der Autor: "Ich kann nicht sehen, wie die Strahlung, die von der Sonne emittiert wird, als etwas wirkend angesehen werden kann."

In einem nachfolgenden Beitrag schreibt der Autor: „Von den drei Optionen, die ich in der Frage vorgestellt habe, lautet die Antwort 1: Die Emission von Strahlung in den Weltraum ist tatsächlich ein irreversibler Prozess.“

Meine Kommentare :

Die von einem Stern oder einer Galaxie emittierte Strahlung bewirkt, dass sich der dreidimensionale Raum radial ausdehnt.

Ein 4-dimensionaler Raum oder analog zum 4-dimensionalen Raum hat 4 Freiheitsgrade. 3 Freiheitsgrade beziehen sich auf den dreidimensionalen Raum. Der vierte Freiheitsgrad betrifft die Photonenbewegung. Wenn Licht in allen kosmologischen Referenzrahmen mit 4 Freiheitsgraden die gleiche Geschwindigkeit hat, dann ist die Lichtbewegung in all diesen Referenzrahmen, da sie gleich ist, proportional zur Zeit in diesen Referenzrahmen. Im dreidimensionalen Raum ohne Strahlung legt eine Lichtentfernung in einem 4-dim-RF 4/3 so weit zurück wie im 3-dim-Raum. Somit dehnt sich der 3-dim-Raum radial um 4/3 so stark aus wie die Abstände im 4-dim-Raum. Zum Beispiel ist die gemessene dunkle Energiedichte relativ zur materiellen Energiedichte (alle so genannten) im Verhältnis von (4/3) ^ 3, was etwa 0,7033 / 0,2967 ist. Dieses Verhältnis ist (fast genau) in astronomischen Messungen aufgetreten, zum Beispiel: Betoule et al. 2014,Verbesserte kosmologische Einschränkungen aus einer gemeinsamen Analyse der SDSS-II- und SNLS-Supernova-Proben , A & A, 568 (A22).

Das 4/3-Verhältnis stellt eine Art Dimensionsdruck von 4 Dim im Vergleich zu 3 Dim dar, wodurch sich der kosmologische 3-Dim-Raum ausdehnt.

Referenz: https://www.researchgate.net/project/The-4-3-law-and-the-theory-of-dark-energy

Die anschließende Feststellung des Autors, dass die Emission von Strahlung in den Weltraum irreversibel ist, steht im Einklang mit der Idee, dass sich die Irreversibilität als kosmologische Ausdehnung des Weltraums manifestiert. Das könnte die Möglichkeit offen lassen, dass es einen physikalischen Prozess gibt, bei dem sich die Expansion verlangsamt, stoppt und umkehrt, wie bei einer Feder. (Lass uns abwarten und sehen? Nein.)

Vorbehalt: Die Ideen in der unmittelbar vorangehenden Referenz sind noch nicht in die zeitgenössische Physik integriert. Ich finde sie haben zumindest recht.

Alles in allem denke ich, dass der Autor in diesem Beitrag eine sehr interessante und wichtige Frage gestellt hat: Strahlungsentropie.

Zunächst wird von Materie aufgrund ihrer endlichen Temperatur Wärmestrahlung abgegeben. Materie hat eine Entropie von null, wenn ihre Temperatur null Kelvin beträgt. Eine Erhöhung der Temperatur führt zu einer Erhöhung der Entropie. Wenn ein fester Stoff in Vakuum gesetzt wird, strahlt er, was zu einer Temperaturabnahme und auch zu einer Abnahme der Entropie führt. Wärmestrahlung selbst ist ein Entropie abnehmender Prozess.

Zweitens besagt der zweite Hauptsatz der Thermodynamik, dass für geschlossene Systeme die Entropie gleich Null ist oder für alle Prozesse zunimmt.

Alle oben genannten Themen sind bekannt. Versuchen Sie zu verstehen, was es mit der Entropieänderung der Sonnenstrahlung auf sich hat. Viele Texte einschließlich der Theorie der Wärmestrahlung von Max Planck definieren die Größe der Entropie S der Schwarzkörperstrahlung als S=4/3*AσT3 oder S=4/3*aT3*V (Seite 65 Gl. 80 in Theorie der Wärmestrahlung von Planck).

Max Planck verwendete eine spezielle Zylinder-Kolben-Anordnung, deren Basis eine schwarze Oberfläche ist und die übrigen Oberflächen einen perfekten Reflektor darstellen. Diese Anordnung hat eine pdV-Arbeitsleistung. Es gibt eine Volumenänderung mit positiver Arbeit, während T konstant ist. Für diese Anordnung wird eine Energie- und Entropieänderung gefunden.

Basierend auf der obigen Entropieberechnung und gemäß dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik für einen Fall wie Sonnenwärmestrahlung wird versucht, die Entropieänderung immer positiv zu zeigen. Dies kann ein Fehler sein, da der zweite Hauptsatz nicht vorschreibt, dass die Entropie des Systems positiv sein muss. Sie kann negativ sein, aber die Gesamtentropie einschließlich der Umgebung muss Null oder positiv sein. Die Sonne ist also selbst kein geschlossenes System und muss keine positive Entropie haben. Seine Entropieänderung kann negativ sein und einschließlich seiner umgebenden Gesamtänderung positiv werden. Viele Texte und Veröffentlichungen besagen, dass reine Wärmestrahlung immer eine positive Entropieänderung gegenüber der entropieverringernden Natur der Wärmestrahlung verursacht. Die Sonne ist selbst kein geschlossenes System und muss keine positive Entropieänderung aufweisen.

Wenn eine schwarze Körperoberfläche die Größe der Entropie S= 4/3*aT3*V hat (wie auf Seite 65 der Theorie der Wärmestrahlung), nächste Seite sek. 67 erklären, dass die Erhöhung der Strahlungsenergie um 1/3(U'-U). Diese überschüssige Wärme wird hinzugefügt, um externe Arbeit zu verrichten, die die Zunahme des Strahlungsvolumens begleitet.

Letzte Diskussion verdeutlicht die Situation, dass ohne Arbeit die Entropie der Wärmestrahlung S= AσT3 werden muss. Aber Planck bedenkt dies nicht, und dies kann als Fehler angenommen werden.

Infolgedessen denke ich, dass die dritte Situation die richtige ist.

Außerdem möchte ich fragen, ob es eine Bedingung gibt, dass der zweite Hauptsatz der Thermodynamik eine Ausnahme hat?

Meiner Meinung nach ist die Antwort auf diese Frage ja. Einzelheiten werden in
hsoylu.wordpress.com/2012/03 vorgestellt

Ich werde kurz die Strahlungswärmeübertragung zwischen zwei Oberflächen erörtern. Für das thermische Gleichgewicht ist qnet=0 und die Oberflächentemperatur ist durch die folgende Gleichung gegeben.

T1 und T2 sind Oberflächentemperatur, A1 und A2 Oberfläche, F1→2 und F2→1 Betrachtungsfaktoren. Wie man sieht, repräsentiert die linke Seite der Gleichung die physikalischen Eigenschaften und die rechte Seite der Gleichung repräsentiert die geometrischen Eigenschaften. Innerhalb der Klammer, die als Reziprozitätsgleichung bekannt ist, gibt es eine. Es ist offensichtlich, dass die Oberflächentemperatur während des thermischen Gleichgewichts von geometrischen Daten abhängt. Es wird angenommen, dass die Emission idealer schwarzer Oberflächen richtungsunabhängig ist. Aber in Wirklichkeit und auch nach der elektromagnetischen Emissionstheorie kommt es auf die Richtung an. Die Richtungsabhängigkeit ist die geometrische Eigenschaft der Emission, wenn sich das Ergebnis der Klammer in der Gleichung von eins unterscheidet und sich die Oberflächentemperatur ebenfalls ändert. Das heißt, wenn die Oberflächentemperaturen zu Beginn gleich sind,

Diese Temperaturdifferenz verstößt gegen den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik. Für das thermische Gleichgewicht wird Wärme von der Oberfläche mit niedriger Temperatur auf die Oberfläche mit hoher Temperatur übertragen.

Der von Ihnen beschriebene Prozess ist nicht umkehrbar: Stellen Sie sich vor, Sie spielen den Film rückwärts ab. Es gibt einen heißen Stern im Brennpunkt eines ziemlich seltsamen Feldes. Dieser Stern absorbiert die gesamte einfallende Strahlung, strahlt aber selbst nicht. Ich habe das genaue Argument vergessen, aber das ist nicht mit den Gesetzen der Thermodynamik vereinbar.

Die emittierte Strahlung ist weit vom thermischen Gleichgewicht entfernt, und ich gehe davon aus, dass sogar die Bestimmung ihrer Entropie schwierig ist.