Kann man Wasser mit der Hitze einer Lupe kochen/dekontaminieren?

Ein bisschen hypothetisch, aber wenn man ausschließt, dass man einen Solardestillierapparat oder die SODIS-Methode verwenden kann, könnte man Wasser trinkbar machen, indem man die Sonnenwärme durch ein Vergrößerungsglas nutzt?

Papier entzündet sich selbst bei 451 ° F, Wasser kocht bei 212 ° F, aber das ist an einem konzentrierten Punkt, wenn Papier mit einer Lupe brennt. Wäre es möglich, mit der gleichen Methode eine kleine Menge Wasser zu kochen? Nehmen wir an, Sie haben eine Lupe mit einem Durchmesser von 3,5 Zoll und eine Vielzahl verschiedener kleiner Behälter aus Glas oder Metall.

Mir ist klar, dass Sie dann ein Feuer machen und Wasser in einem Metallbehälter kochen könnten, aber ich bin nur neugierig, ob es möglich ist, das Wasser so weit zu erhitzen, dass es trinkbar ist, ohne es mit dieser Methode ins Feuer zu stellen. Da Brände Rauch verursachen, nehmen wir an, Sie befinden sich an einem weniger wünschenswerten Ort, an dem der Rauch eines Feuers Ihren Standort verraten könnte, wenn Sie dies nicht möchten.

Die Sonnendesinfektion scheint ein ähnliches Prinzip zu verwenden, bei dem das Sonnenlicht die Bakterien durch Hitze und/oder UV-Strahlen abtötet. Es gibt auch einige Produkte, die die einfache Vergrößerung des durchsichtigen Kunststoffs vorne und eine reflektierende Rückseite verwenden, die das Wasser in einen sicheren Zustand bringen soll. gearjunkie.com/sol-water-purification-bladder . Und da ich weiß, wie heiß es werden kann, wenn Licht in ein geschlossenes System (dh durch Autofenster) eindringt, würde ich erwarten, dass Wärme ein Teil eines solchen Systems ist, wenn auch nicht der gesamte Prozess.
Wenn Sie eine Lupe verwenden, stellen Sie sicher, dass Sie eine mit einem Durchmesser verwenden, der deutlich größer ist als der Durchmesser des Behälters. Denn eine Lupe bündelt das Licht. Mit anderen Worten, es nimmt das gesamte Licht, das den gesamten Schatten der Linse hätte treffen sollen, und sendet es an einen einzigen Punkt. Wärme wird im Wasser schnell abgeführt, besonders wenn es sich frei im Behälter bewegen kann. Wenn also der Schatten der Lupe nicht größer ist als der Behälter, dann trifft die gleiche Menge Sonnenlicht auf den Behälter, unabhängig davon, ob Sie die Lupe verwenden.
Es gab eine Episode der Discovery-Show „Naked and Afraid“, in der die Kandidatin eine Lupe als einzigen Überlebensgegenstand mitnahm und dies versuchte. Wenn ich mich recht erinnere, musste sie die Show mit einem Hitzschlag verlassen, weil sie zu lange in der Sonne gesessen hatte, um etwas Wasser zu dekontaminieren.
Wäre nicht meine erste Wahl für einzige Überlebensgegenstände ... lol

Antworten (3)

Lassen Sie uns einige Berechnungen auf der Rückseite des Umschlags durchführen.

Die spezifische Wärme von Wasser ist die Energiemenge, die benötigt wird, um die Temperatur einer bestimmten Wassermenge um 1 Grad C zu erhöhen. Dies ist 4,186 Joule/Gramm °C (Referenz) .

Um die Temperatur von 1 Liter Wasser (1000 g) um 80 Grad C (von Raumtemperatur zum Sieden) zu erhöhen, wären 4,186 * 1000 * 80 = 334.800 Joule.

Die auf einen Quadratmeter Erdoberfläche einfallende Sonneneinstrahlung beträgt maximal etwa 300 Watt/m² (Referenz) . Ein Watt ist ein Joule pro Sekunde, das heißt, Sie könnten 334.800 Joule von einem Quadratmeter Sonnenlicht in 334.800 / 300 = 1116 Sekunden oder etwa 19 Minuten bekommen.

Natürlich wäre eine Lupe mit einem Quadratmeter Fläche ziemlich schwer und unhandlich zu tragen. Ein größerer mit 9 cm (3,54 Zoll) Durchmesser wäre etwa 64 cm² oder 0,0064 Quadratmeter groß. Mit dieser Lupe würde unser 1 Liter Wasser in etwa 157-mal so viel Zeit oder etwa 175.000 Sekunden oder etwas mehr als 48 Stunden zum Kochen bringen.

Wie Sie sehen können, reicht die Menge an Energie, die Sie direkt von der Sonne sammeln können, nicht aus, um eine nützliche Menge Wasser in einer angemessenen Zeit zu kochen. Selbst wenn Sie nur ein kleines Getränk von 100 ml wollten, würde es immer noch den ganzen Nachmittag dauern.

Danke für die Erklärung und die Wissenschaft in Zahlen dahinter, ich hielt es für unwahrscheinlich, aber ich habe es genossen, die Mathematik hinter dem Warum zu hören!
Beachten Sie, dass man eine große Parabel aus Folie viel einfacher bekommen (und zusammengefaltet tragen) kann als eine große Lupe. Es gelten die gleichen Flächenberechnungen, außer dass nicht die tatsächliche Fläche der Folie von Bedeutung ist, sondern die scheinbare Fläche der Parabel, gesehen aus Richtung der Sonne.
Eine andere Möglichkeit, darüber nachzudenken, warum es nicht funktionieren würde, wäre, dass die einzige Möglichkeit, es zum Laufen zu bringen, darin besteht, es in eine Art Solardestillierapparat einzubauen, was durch die Prämisse der Frage verboten ist.
@whatsisname: Verdunstung und Kondensation im Solardestillierapparat entmineralisieren (Salz-)Wasser und trennen das Wasser von festen Verunreinigungen. Aber die Verdunstung kann und findet bei Temperaturen statt, die deutlich unter dem Siedepunkt liegen (oder T, die als notwendig erachtet werden, um eine mikrobielle Kontamination abzutöten), sodass ich das Wasser aus mikrobiologischer Sicht nicht automatisch als trinkbar betrachten würde. Kochendes Wasser bewirkt „das Gegenteil“: Der gesamte Behälter wird erhitzt, um Mikroben abzutöten, aber Salz und andere Verunreinigungen bleiben drin.
300 W/m² ist eher wenig: Der Referenzmittelwert einschließlich Nacht en.wikipedia.org/wiki/Solar_constant ergibt 0,5 - 1 kW/m². Außerdem würde die Linse parallel zum einfallenden Sonnenlicht positioniert, sodass der Breitengrad nicht so wichtig ist wie für die Leistung auf der Erdoberfläche. Elektrische Wasserkocher ziehen im Bereich von 1 - 3 kW, so dass Sie mit 1-3 m² effizienter Sammlung (und Isolierung) die gleiche Zeit wie das Kochen des Wassers in einem Wasserkocher erreichen würden. Sowohl die Sammel- als auch die Isoliereffizienz würden jedoch einen ausgewachsenen en.wikipedia.org/wiki/Solar_cooker bedeuten, der kein leichtes Rucksackreisen ist ...
Die Mathematik ist technisch korrekt, aber die Zahlen sind es nicht ... Sonst wäre dies keine Sache amazon.com/Portable-Water-Heater-SunRocket-Sunlight/…
Ich hatte die nicht gesehen, das ist ziemlich nett, also scheint es mit einem Parabolreflektorsystem möglich zu sein, was Sinn macht, da man damit kochen kann.
@fgysin: 1 kW/m² (zB klarer sonniger Mittag in Deutschland, siehe Link oben), Füllmenge für den Solarkocher 500 ml, Kollektorfläche = 0,1 m² (2x11 cm x 45 cm): 500 g * 4,1852 J/gK * 80 K / 100 W = 28 Min. Die Produktseite behauptet 30 min unter idealen Bedingungen. Was auf ;-P hinausläuft: Für eine kleine Menge Wasser ist es in Ordnung, aber als vollständiger Ersatz für Feuer nicht praktikabel. Solarkocher sind in sonnigen Klimazonen besonders schön, wenn Sie sie stationär verwenden können (daher ist die Masse kein Problem) und Ihre Sachen anziehen und ein paar Stunden später zum gekochten Essen zurückkehren können.
@cbeleites: Danke, ich habe übersehen, dass die 300 W/m² ein Durchschnitt inklusive Nacht waren. Die Spitzenleistung an einem klaren Tag könnte also vielleicht das 3-5-fache dessen betragen, was ich in den obigen Berechnungen verwendet habe. Das ändert die Zahlen ein wenig, aber es ist immer noch unpraktisch, Wasser mit einer Lupe zu kochen . Ein Sonnenkollektor ist eine andere Geschichte.
@cbeleites Ich habe mich schon gefragt, wie Sie 48 Stunden lang Sonnenlicht haben würden (oder wenn ja, ist die Anfangstemperatur von 20 ° C optimistisch).
Wasser ist ziemlich durchscheinend, sodass es nur einen Bruchteil der Wärme aufnehmen und Wärmeverluste aufweisen würde. Bei einer Poolabdeckung heizt sich der Pool aufgrund von Wärmeverlusten schneller auf.

Die Diskussion ist in der Tat theoretisch, weil sie mir unpraktisch - wie auch immer möglich - erscheint. Zunächst einmal gibt es einen großen Unterschied zwischen Papier (fest) und Wasser (flüssig). In der Flüssigkeit verteilt sich die absorbierte Lichtenergie durch Molekularbewegung ziemlich schnell und man bekommt nicht unbedingt so einen Hotspot wie auf einem Blatt Papier. Der Anteil des absorbierten Lichts wird natürlich sowieso das Wasser erwärmen.

Außerdem gibt es einen Unterschied, ob Sie eine Lupe oder einen Spiegel verwenden. Eine Lupe arbeitet in Transmission, ohne die mittlere Richtung des Lichts stark zu verändern. Er strahlt also nur dann deutlich mehr Licht auf das Wasser – und bewirkt damit insgesamt einen zusätzlichen Heizeffekt – wenn seine Oberfläche größer ist als die Projektion der Behälteroberfläche in Richtung des einfallenden Lichts. Ein Spiegel ist unabhängig von seiner Größe anders, da er in Reflexion arbeitet und viel Licht auf das Wasser umlenken kann, das sonst nicht auf das Wasser getroffen wäre.

Wie Paparazzo jedoch bereits in einem Kommentar angedeutet hat, ist Wasser im UV- und den größten Teil des sichtbaren Spektrums transparent, sodass ein großer Teil der Sonnenenergie überhaupt nicht vom Wasser absorbiert wird. Diese Quelle behauptet, dass 50 % der Sonnenenergie Infrarotlicht ist, das leicht von Wasser absorbiert wird. Sie sagen, dass fast das gesamte Infrarotlicht innerhalb der ersten 10 cm absorbiert wird, sodass Ihr Behälter für eine maximale Energieabsorption und mit dieser maximalen Heizrate, die durch die Lichtabsorption von Wasser verursacht wird, so tief sein müsste. Da wir davon ausgehen können, dass wir uns im Bereich der linearen Optik befinden, folgt die Absorption dem Beerschen Gesetz , das besagt, dass die Lichtintensität exponentiell mit der Eindringtiefe abnimmt, sodass eine Behältertiefe von etwas weniger als 10 cm wahrscheinlich keine große Sache ist.

Ebenso wichtig wie die Lichtabsorption durch Wasser ist die Lichtabsorption durch den Behälter. Wenn Sie einen schwarzen Topf haben, absorbiert dieser zusätzlich den größten Teil des sichtbaren (und wahrscheinlich UV-) Sonnenlichts, wodurch Ihr Wasser viel schneller erwärmt wird. So funktionieren auch Solarduschen (beachten Sie, dass sie keine Fokussieroptik verwenden), Herde usw. Entsprechende Abschätzungen der Heizraten unter solchen Vollabsorptionsszenarien sind bereits in der Antwort von Greg Hewgill und den entsprechenden Kommentaren enthalten.

Vielleicht könnten Sie ein sehr dünnes Glasrohr an einem größeren Wasserbehälter befestigen, ein bisschen wie eine Gießkanne, aber mit einem dünnen Ausguss, dann verwenden Sie eine Lupe, um Wasser ganz oben im Rohr zu kochen und den Dampf zu kondensieren würde die Tube auffüllen. Also die ganze Zeit, wenn Sie eine Teelöffel-artige Menge Wasser kochen, habe ich gesehen, wie sofort eine Lupe meine Haut verbrennen kann. Nur eine Idee, um nicht mehr das ganze Wasser auf einmal erhitzen zu müssen

Es kostet die gleiche Energiemenge, 1 Liter Wasser zum Kochen zu bringen, egal ob in kleinen Mengen oder in großen Mengen.