Какой вывод мы можем сделать из того факта, что зеркала не могут получить луч горячее, чем поверхность Солнца?

Какой вывод мы можем сделать из того факта, что зеркала не могут получить луч горячее, чем поверхность солнца?

Мы можем сделать вывод, что законы термодинамики главенствуют даже в отношении радиационного переноса тепла. Второй закон термодинамики был бы неверным, если бы можно было использовать линзы и/или зеркала, чтобы сделать какой-либо объект более горячим, чем источник теплового излучения.

Оптические причины довольно просты. Зеркала и линзы не фокусируют солнечный свет в точку. Вместо этого они идеально фокусируют солнечный свет в изображение Солнца. (Я написал «в идеале», потому что никакое настоящее зеркало или линза не могут достичь идеальной фокусировки.)

Существует способ использовать солнечный свет для повышения температуры объекта еще на несколько сотен кельвинов выше, чем эффективная температура Солнца в 5778 кельвинов, и это заключается в использовании множества зеркал, каждое из которых фокусирует середину Солнца на рассматриваемом объекте. , но делая сфокусированные изображения Солнца от каждого зеркала в несколько раз больше объекта.

Эффективная температура света, исходящего из середины Солнца, значительно выше, чем температура света, исходящего от краев Солнца из-за затемнения краев . Свет, который мы видим, исходящий из середины, представляет собой смесь света от «поверхности» Солнца и света немного ниже поверхности (где все немного горячее), в то время как свет, который мы видим от конечностей, — это чуть более холодный поверхностный свет. Это означает, что можно использовать зеркала и/или линзы для нагрева объекта до эффективной температуры в центре Солнца.

Однако я бы сказал, что это все еще относится к категории невозможности нагреть объект с помощью зеркал и/или линз до температуры выше, чем у самого Солнца.

Сталкивающиеся пучки протонов на LHC, стр. 29 :

При столкновениях температура в 100 000 раз превысит температуру в центре Солнца.

Электрический ток, питающий LHC, может быть легко обеспечен большой серией солнечных панелей.

Теперь, чтобы перейти к объективной части вопроса:

Серия линз, концентрирующихся в одном и том же месте, может иметь температуру выше, чем солнечная, не нарушая сохранения энергии. Причина в том, что солнце представляет собой вытянутое тело, и лучи, попадающие в каждую линзу, исходят из другой области, хотя и смежной с солнцем, и количество линз, которые можно добавить, не ограничено, кроме геометрического.

Возьмите эту солнечную печь :

Солнечная печь — это конструкция, использующая концентрированную солнечную энергию для получения высоких температур, обычно для промышленности. Параболические зеркала или гелиостаты концентрируют свет (Инсоляция) в фокусе. Температура в фокусе может достигать 3500 °C.

Не существует правила сохранения, запрещающего использование более одной печи для попадания в одну и ту же фокусную точку, но существует аргумент энтропии, который я считаю убедительным, приведенный @BebopButUnsteady.

Однако для того, чтобы энтропия возрастала, мы должны дополнительно осуществить необратимый процесс. В противном случае мы просто отбираем тепло у холодного тела и передаем его горячему телу. Оптика — это обратимый процесс, и поэтому вы не можете использовать их одни для создания теплового насоса.

Обратимость проявляется в том, что каждый оптический путь от Солнца до объекта можно пройти в обратном направлении. Напомним также, что вероятность поглощения и вероятность испускания должны быть связаны термодинамикой. Поэтому, как только ваш объект достигает той же температуры, что и Солнце, ваш объект должен излучать столько же излучения на Солнце, сколько Солнце излучает на ваш объект. Поэтому его температура не может подняться выше температуры Солнца.

смелый мой.

Обратите внимание, что Солнце не является идеальным черным телом. Следовательно, можно нагреть печь немного выше обычной заявленной «температуры поверхности солнца». Хотя все это было бы практически неразличимо, правильной величиной для использования является энтропия излучения.

Изменить после комментариев.

Именно энтропия является проблемой при достижении температуры выше солнечной, которая в изобилии генерируется на БАК. С двумя тепловыми печами, сконцентрированными в разных малых объемах внутри большего объема, пути становятся случайными/неупорядоченными, и энтропия должна увеличиваться, а более высокие температуры достигаются термодинамически.

Я думаю, что это довольно нелогично, что некоторые линзы или зеркала, фокусирующие солнечный свет в одном месте, не могут создавать температуру выше, чем поверхность Солнца.

Это действительно противоречит здравому смыслу, потому что невозможно сфокусировать солнечный свет в одном месте.

Для упрощения будем считать Солнце абсолютно черным телом. Затем, если мы знаем температуру его поверхности (5772 К согласно Википедии), мы можем рассчитать его тепловой поток (63 000 кВт/м2) в соответствии с уравнением Стефана Больцмана . Если мы знаем его выходную тепловую мощность, мы можем определить его диаметр (который немного больше нуля).

Солнце не видно на небе как единая точка. С Земли его диаметр кажется равным примерно 0,5 градуса (то есть, если вы наведете телескоп на одну сторону от Солнца, вам придется повернуть его на 0,5 градуса, чтобы указать на другую сторону). Этот угловой диаметр 0,5 градуса (или около 1/100 радиана) является функцией расстояния Земли от Солнца и диаметра Солнца, который связан с его тепловым потоком, как описано выше.

Представьте, что у меня на Земле есть идеально изготовленный параболический рефлектор. С этим я могу сконцентрировать солнечные лучи примерно в 10000 раз (не больше, из-за углового диаметра солнца 0,5 градуса). Я не буду приводить здесь геометрическое доказательство, но если вы воспользуетесь программой трассировки лучей, вы обнаружите, что параболический желоб может концентрировать источник света с угловым диаметром 0,5 градуса примерно в 100 раз, и параболическая тарелка будет в квадрате.

Нормальный лучистый поток на Земле составляет около 1 кВт/м2, поэтому я могу получить тепловой поток около 10000 кВт/м2 и температуру около 3644 К.

Как видите, это сравнимо с температурой Солнца, но немного ниже ее.

Чтобы получить более высокие температуры от нашего солнечного концентратора, нам нужно, чтобы солнце сохраняло свою мощность, но было бы меньше, чтобы дать нам лучший фокус, но тогда, конечно, у солнца был бы более высокий поверхностный тепловой поток и температура поверхности!

Какой вывод мог бы сделать ученый из этого странного поведения? Любое квантовое свойство в примере? Или что-то с оптикой?.

Как объяснялось выше, поведение не является необычным. Об оптике можно сделать вывод, что оптическая система не может создавать бесконечно малый точечный фокус из сферического источника света черного тела конечного диаметра. Этот вывод можно вывести и геометрически.

Если бы источник температуры мог поднять температуру другого тела выше его собственной температуры в замкнутой системе, это имело бы интересные последствия для справедливости нулевого и второго законов термодинамики.

https://en.wikipedia.org/wiki/Законы_термодинамики

Из того факта, что «изображение», формируемое зеркалом (солнца), не может быть горячее, чем температура солнца, мы можем с уверенностью заключить, что в этом процессе действует закон сохранения энергии. Это также означает, что второй закон термодинамики в этом процессе не нарушается.

Ради интереса, если мы предположим, что образ, образованный солнцем, имеет более высокую температуру, чем само солнце, то это будет противоречить нашему исходному предположению, что образ и объект, т.е. называется изображением, формируемым зеркалом, что не имеет смысла.

Чтобы немного расширить ответ Четана Панди выше, изображение солнца из (идеальной) линзы или зеркала всегда имеет тот же цвет, что и первоисточник. Поскольку цвет является функцией температуры, вы получаете ту же температуру, вы не получаете изображение со смещением в синий цвет.

Тот факт, что мы не можем использовать любое количество линз, чтобы получить точку горячее, чем поверхность удаленного источника тепла, звучит совершенно неинтуитивно, но это правда.

XKCD объясняет это намного лучше, чем я когда-либо мог: https://what-if.xkcd.com/145/ — это действительно отличное объяснение второго закона термодинамики, сохранения этендю и того, что самое лучшее, что любой набор Линзы могут сделать так, чтобы каждая линия обзора заканчивалась на поверхности солнца.

Это именно то, что вы получаете, когда находитесь на поверхности солнца.

Из этого мы можем сделать вывод, что мы никогда ничего не зажжем в огне от лунного света; что мы никогда не сможем взять «множество солнечных печей» и сложить их вместе, чтобы суммировать их температуры; и что мы не можем создать бесконечный тепловой насос, сделав точку возле нагревательного змеевика более горячей, чем сам змеевик с линзами.

Думайте об этом как о тепловой цепи.

На одном конце у вас есть солнце, излучающее инфракрасные фотоны через вашу линзу (или массив зеркал) на целевой объект. У вас также есть целевой объект, излучающий фотоны обратно через ту же оптику обратно к солнцу.

По мере того, как солнечное излучение начинает нагревать ваш целевой объект, оно будет более интенсивно излучать фотоны обратно на солнце.

На данный момент, если мы предположим, что ваш целевой объект подвешен в вакууме, что помешает другим механизмам теплопередачи, тогда:

Солнце будет продолжать нагревать целевой объект до точки, в которой энергия, излучаемая целью, будет такой же, как энергия, полученная от солнца, после чего цель больше не будет нагреваться.

Наличие большего количества зеркал или большей линзы просто означает больше путей для движения фотонов, и поэтому точка равновесия достигается быстрее.

Белая отражающая поверхность на мишени будет излучать меньше фотонов, но и поглощать меньше, посылаемых солнцем. Черная матовая поверхность будет поглощать больше солнечных фотонов, но и излучать больше сама при той же температуре. Наличие черной матовой поверхности снова способствует более быстрому достижению точки равновесия, но не повышает равновесную температуру.

Предел того, насколько горячим может быть целевой объект, — это температура, при которой он излучает фотоны с той же скоростью, что и поглощает их от солнца...

Таким образом, если предположить, что исходное утверждение верно, вывод состоит в том, что при данной температуре солнце является либо таким же хорошим, либо более эффективным излучателем фотонов, чем любой другой материал на Земле.