Können Sie Sonnenlicht verwenden, um die Oberfläche eines Objekts heißer als die Oberfläche der Sonne zu erhitzen? [geschlossen]

Ich habe diese Frage gelesen: Sonnenlicht konzentrieren, um eine Fusionsreaktion auszulösen, und einige der Kommentare sowie eine Antwort deuten darauf hin, dass das zweite Gesetz der Thermodynamik verhindert, was ich im Titel frage. Ich habe mich gefragt, ob das wirklich der Fall ist, denn: 1) Die Sonne und ein kleines Ziel (z. B. Deuterium-Pellets) sind nicht die gleichen Gasmengen im Gleichgewicht. 2) Auch wenn nicht gleiche Gasmengen erforderlich sind, ist es immer noch eher so, als würde man Licht von einer Seite der Box auf einen kleineren Bereich auf der anderen Seite fokussieren. 3) Im Zentrum der Sonne wird Masse in Energie umgewandelt, die von Ort zu Ort fließen und einen Motor antreiben kann.

Und hier mein Rechenversuch: Der größte mir bekannte Parabolspiegel ist 500 Meter breit (Fläche ~ 500*500*3,14 = 785000 m^2). Die Erdoberfläche erhält 1000 Watt pro Quadratmeter, also 785000*1000=785.000.000 J/s es wurde auch in der anderen Frage darauf hingewiesen, dass man nicht auf einen beliebig kleinen Punkt fokussieren kann. Also lasst uns die Energie in eine Tasse Wasser kippen, nein? Spezifische Wärme von Wasser: 4,18 Joule pro Gramm pro Grad c. Gramm, eine Tasse Wasser wiegt etwa 236 Gramm

Wenn wir das alles zusammenwerfen, erhalten wir: (785.000.000 J/s)/[(4,18 J/gc)(236 g)] = 795759 c/s

Wenn die Oberfläche der Sonne 5505 Grad beträgt, wie lange würde es dauern, das Wasser von Raumtemperatur oder 25 Grad C so hoch zu erhitzen, wenn Verluste ignoriert werden? (x Sekunden)(Rate)=5505-25=5480

x~6,9*10-3 Sekunden

Um also zu verhindern, dass die Wasserschale die Temperatur an der Sonnenoberfläche überschreitet, müsste sie schneller als in diesem Bruchteil einer Sekunde abkühlen, natürlich wird sie kochen und plasmabilden und sich schnell ausdehnen, aber denken Sie daran Da ich eine relativ kleine Teleskopparabel verwende, könnten wir die gleiche Berechnung durchführen, aber mit einem viel größeren Durchmesser und viel kleineren x Sekunden. Je mehr Sonnenlicht Sie einfangen, desto höher wird der Druck auf das Ziel ausgeübt, wodurch eine Abkühlung verhindert wird. Ich verstehe nicht, warum eine Überschreitung der Oberflächentemperatur nicht möglich wäre.

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Ich bin zuversichtlich, dass die Behauptung in der oben verlinkten Frage (dass Sie das Ziel nicht heißer als die Sonnenoberfläche machen können) falsch ist. Meine Frage ist also im Grunde, was ist das theoretische Problem und wie unterscheidet sich das wirkliche Problem vom theoretischen? Wenn ich falsch liege und das tatsächliche Problem nicht wesentlich vom theoretischen abweicht, warum ist die obige Berechnung dann irreführend? In der obigen Berechnung zeige ich, dass es einen Zusammenhang gibt zwischen dem Quadratmeter Querschnitt der Fokussieroptik (z. B. reflektierende Parabel) und der Anzahl von Sekunden, die es dauern würde, um das Ziel auf die Oberflächentemperatur der Sonne zu bringen. Einige Größenordnungen mehr Fläche, und es wird mir unvorstellbar, dass das Ziel schnell genug abkühlen kann, um sich nicht über die angegebene Temperatur zu erwärmen.

So wie ich es verstehe, ergibt sich das theoretische Problem aus dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik. Eine Aussage dazu lautet wie folgt: Sie können einen kälteren Körper nicht dazu verwenden, einen heißeren Körper spontan zu erwärmen. Mit anderen Worten, Sie können keinen perfekten Kühlschrank bauen. Oder die Kühlung erfordert Arbeiten am System. Vielleicht macht die Optik die Arbeit? Was mir eine Idee gibt, wenn das System nur Reflektor, Ziel und Stern wäre, dann würde der Druck der Sonnenstrahlung vielleicht alles schnell genug auseinander drücken.

Sobald das Ziel heißer als die Sonne wird – was hindert die Photonen daran, das heiße Ziel zu verlassen und durch dieselbe Optik zurück zu fließen, um die Sonne zu erwärmen?
Es gibt keine theoretische Grenze für die Temperatur. Lediglich der Energiefluss des konzentrierten Sonnenlichts ist begrenzt. In der Thermodynamik unterscheiden wir zwischen Arbeit und Wärme, und Arbeit ist Energie, die man in einem einzigen Freiheitsgrad einsetzen kann. Es gibt Grenzen aus dem zweiten Gesetz darüber, wie viel Arbeit Sie aus einem bestimmten System extrahieren können. Wenn Sie statt Arbeit nur bei einer bestimmten Temperatur T pumpen wollen, dann werden Sie feststellen, dass der Wirkungsgrad immer größer ist als beim Extrahieren von Arbeit und umso größer wird, je niedriger T ist, und Sie das Ergebnis für Arbeit im Grenzbereich zurückgewinnen von unendlichem T.
Martin Beckett, Wenn die in der Sonne erzeugten Photonen nur entlang dieser Optik und zum Ziel und zurück entlang derselben Optik kämen, würden sich sowohl das Ziel als auch die Sonne selbst weiter aufheizen, aber es gibt immer noch kein kostenloses Mittagessen, weil Sie es haben ein Fusionskern, der kontinuierlich Energie in die beiden Oberflächen entlädt, und in Wirklichkeit wird das Licht in alle Richtungen gehen! Warum sollte es nur auf diese optischen Pfade beschränkt sein?
@ user27382 In Ihrem obigen Kommentar fehlt eine wichtige Tatsache - wenn ein Objekt Photonen emittiert, kühlt es sich ab. Außerdem beginnt die Fusion erst weit über der Oberflächentemperatur der Sonne, sodass keine zusätzlichen Photonen in das Bild eindringen. Eine weitere wichtige Tatsache, die für Sie vielleicht nicht offensichtlich ist (für mich war es das zunächst nicht) – optische Systeme aus Linsen und Spiegeln sind immer umkehrbar .
@probably_someone Ich stimme der Umkehrbarkeit der Optik zu, das Licht vom Ziel sollte hauptsächlich auf die Parabel treffen und entlang der Symmetrieachse reflektiert werden und meistens zum Stern zurückgehen. Auch wenn Dinge Photonen emittieren, kühlen sie sich ab. Aber wenn Dinge Photonen adsorbieren, erwärmen sie sich. Wenn Sie also eine feste Anzahl von Photonen um die Gesamtenergie herum abprallen lassen, würde sie konstant bleiben, aber die Sonnenenergie regeneriert sich ...
Folgendes hatte ich nicht bedacht: Vielleicht könnten Sie, wenn Sie das Experiment einrichten, das Ziel heißer als die Sonnenoberfläche erhitzen. ABER Sie würden auch diesen Fleck auf der Sonnenoberfläche im optischen Pfad heißer als 5505 erhitzen
Ich denke, da ich eine neue, spezifischere Frage gestellt habe, würde ich hier einen Link zu dieser Frage einfügen: physical.stackexchange.com/questions/384713/…

Antworten (1)

Hier ist ein Argument, das mir gefällt, das vom Benutzer chrisitan.wolff in den XKCD-Foren ( http://forums.xkcd.com/viewtopic.php?t=113444 ) paraphrasiert ist, kombiniert mit etwas der Logik von Randall Munroe auf dem entsprechenden XKCD What-If ( https://what-if.xkcd.com/145/ ):

Die Temperatur eines Objekts im Gleichgewicht mit dem elektromagnetischen Feld ist der Mittelwert der Temperaturen der Quellen, die es sieht, über die Winkelgröße, gewichtet mit ihren Emissionsgraden.* Dies bedeutet, dass Körper, die für das betreffende Objekt größer erscheinen, mehr zur Temperatur des Objekts beitragen .

Ein optisches System, das Licht auf ein Ziel bündelt, vergrößert die Lichtquelle im Sichtfeld des Objekts. Es lässt keinen einzelnen Punkt auf der Quelle heißer erscheinen, weil dies die Reversibilität des optischen Systems verletzen würde.

Hier ist der Grund: Wenn dadurch irgendein Punkt auf der Quelle heller erscheint (was hier gleichbedeutend mit heißer ist), dann müsste das System Licht von mindestens zwei Punkten auf der Quelle sammeln und es zu einem Punkt auf dem Bild kombinieren. Reversibilität bedeutet, dass ein einzelner Lichtstrahl, der in das System eintritt, genau einen Weg aus der Linse heraus hat, unabhängig von der Richtung, in die er sich bewegt. Wenn wir mit diesem Quellenaufhellungssystem Lichtstrahlen nehmen, die das Ziel verlassen und in das System eintreten, haben diese Strahlen nun zwei oder mehr mögliche Wege, um zurück zur Quelle zu gelangen. Somit ist das System nicht reversibel, was unmöglich ist. Daher kann es keinen Punkt auf der Quelle heller/heißer erscheinen lassen.

Nachdem wir also festgestellt haben, dass Ihr System die wahrgenommene Temperatur der Quelle nicht erhöhen kann, sondern nur ihre wahrgenommene Winkelgröße, folgt der Rest des Arguments leicht. Nehmen Sie das Best-Case-Szenario, bei dem das System so clever konstruiert ist, dass die Sonne das gesamte Sichtfeld des Objekts einnimmt. Wenn man dann den Durchschnitt einer Reihe identischer Punkte nimmt, ist die Temperatur des Objekts die Temperatur der Sonne. Jede andere Konfiguration hat weniger Sonne im Sichtfeld des Ziels, sodass die Temperatur des Ziels niedriger wäre. Daher kann die Temperatur des Ziels die Temperatur der Sonne nicht überschreiten.

*Der Emissionsgrad des Ziels selbst hat keinen Einfluss auf seine Temperatur, so überraschend es scheinen mag (siehe Ist die Gleichgewichtstemperatur eines schwarzen Körpers höher als die anderer Objekte? ).

Hmm .. Ich weiß nichts über diese "wahrgenommene Winkelgröße". Aber würde eine Vergrößerung der Linse nicht die Menge des eingefangenen Flusses erhöhen? Das heißt, die Anzahl der Strahlen in einem beliebigen Diagramm erhöhen und damit die erreichbare Temperatur erhöhen? Es werden keine Photonen gespalten, größere Linsen fangen buchstäblich mehr Photonen ein und ermöglichen somit höhere Temperaturen.
@ user273872 Ja, ein größeres Objektiv fängt mehr Photonen von der Quelle ein. Diese Photonen lassen die Quelle größer erscheinen, während der Photonenfluss der Quelle an jedem Punkt gleich bleibt. Es erhöht nicht den Fluss selbst, sondern nur den Bereich, über den das Objekt einen höheren Fluss sieht. Sehen Sie einen Fehler in der Logik, die ich demonstriert habe? Bisher haben Sie die Logik in der Antwort nicht widerlegt; Wenn Sie Recht haben, sollten Sie in der Lage sein, meine Antwort zu widerlegen.
Vielleicht hat der Fehler damit zu tun, dass Dinge als Punkte behandelt werden, an denen sich in Wirklichkeit die beiden Photonen von der Quelle auf einem Atom vereinen?
Können Sie Sonnenlicht verwenden, um die Oberfläche eines Objekts heißer als die Oberfläche der Sonne zu erhitzen? [geschlossen]
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