Можно ли разжечь огонь лунным светом?

Лунный свет имеет спектральный пик около$650\ \mathrm{nm}$(Солнце встает около$550\ \mathrm{nm}$). Обычные солнечные батареи будут прекрасно преобразовывать его в электричество. Сила лунного света о$500\,000$раз меньше, чем у солнечного света, что при солнечной постоянной$1000\ \mathrm{W/m^2}$оставляет нам около$2\ \mathrm{mW/m^2}$. После учета оптических потерь и типичной эффективности солнечных элементов примерно$20\ \%$, мы, вероятно, можем надеяться извлечь ок.$0.1\ \mathrm{mW}$с довольно простым зеркалом из фольги$1\ \mathrm{m^2}$площадь поверхности. Накопленный в течение всей ночи при полной луне, это оставляет нам около$6\ \mathrm h\times3600\ \mathrm{s/h}\times0.1\ \mathrm{mW}\approx2\ \mathrm J$энергии. Этой энергии достаточно, чтобы зажечь огонь, используя правильные химические вещества и тонкую нить накаливания в качестве нагревателя.

По крайней мере, один момент в вашу пользу заключается в том, что свет, который мы получаем от Луны, практически не имеет ничего общего с ее температурой. Вместо этого это в основном вторичный источник света, «отражающий» свет от Солнца к нам.

Второй момент в вашу пользу (я думаю) заключается в том, что термодинамический аргумент кажется довольно слабым. Мы не пытаемся сделать Землю такой же горячей, как Солнце или что-то в этом роде. Единственное, чего мы хотим, — это собрать достаточно энергии в достаточно малом объеме с кислородом и некоторым количеством топлива, чтобы зажечь огонь; следовательно, большая часть энергии для огня по-прежнему исходит от энтальпии реакции горения.

В целом, я бы подумал, что это не невозможно, но, вероятно, очень неэффективно из-за ничтожной доли энергии, которую мы получаем от солнечного света, рассеянного Луной.

Я натыкаюсь на это, потому что, кажется, до сих пор нет единого мнения по этому вопросу, даже после поста Рэндалла «Что, если» и последовавших за ним горячих дискуссий:

Что если опубликовать

Обсуждение Reddit, где люди категорически не согласны с Рэндаллом

Мой интуитивный вывод (с учетом выводов из обсуждений): очевидно, что аргумент Рэндалла справедлив для черных тел. Однако часть лунного света является рассеянным отраженным солнечным светом, и поэтому должна быть возможность зажечь огонь.

@Marty Green: Если мой аргумент верен, то «добавление лун на ночное небо», безусловно, повысит температуру выше температуры поверхности Лун (потому что все, что мы делаем, это добавляем больше зеркал).

Если бы вы могли заполнить все небо лунами, вы бы не зажгли огонь. Это было бы то же самое, что смотреть вверх и видеть широкую полосу яркого блестящего песка на пляже. То, что вы можете сделать с линзами и зеркалами, ничем не отличается от заполнения неба лунами, так что нет: вы не можете зажечь огонь таким образом.

Другие ответы здесь не учитывают два очень важных аспекта. Во-первых, нагретая точка тоже излучает . Во- вторых, идеальных объективов с большим отношением диаметра к фокусному расстоянию не существует . Последнее можно доказать с помощью энтропии.

Предположим, что система «волшебного» освещения (которая может содержать идеальную линзу) существует далеко от Земли. Предположим также, что мы окружаем эту систему радиационной ванной с телесным углом$4 \pi$с температурой$T_0$. Тогда, в силу второго закона термодинамики, система будет находиться в равновесии, когда температура в «волшебном» устройстве равномерно также$T_0$. Затем, чтобы имитировать некоторый излучающий объект (например, Луну), мы удаляем большую часть излучения и оставляем лишь небольшую часть телесного угла. Конечно, если «волшебный» осветительный прибор состоит только из линзы и зеркал, излучение в сторону нагретой точки может только уменьшиться.$\Rightarrow$это температура$T \leq T_0$. Обратите внимание, что температура$T$зависит только от мощности его нагрева, а не от спектра излучения.

Если бы существовали линзы с произвольно большим диаметром и фокусным расстоянием, их можно было бы использовать для фокусировки света излучающего тела (например, Солнца или Луны) до произвольной интенсивности, что приводило к произвольно высоким температурам (противоречащим доказательству).

Таким образом, если нагретая точка черная, максимальная интенсивность излучения черного тела равна интенсивности отраженного света. Таким образом, максимальная температура действительно может находиться в диапазоне$0^{\circ} C$.

Если бы нагретая точка не была черной, а излучала бы только очень высокочастотный спектр, то достижимые температуры были бы выше, вероятно, до температуры солнца.

Похоже, вопрос конкретно касается использования объектива.

В исходном вопросе: «Значит, если у вас есть действительно огромный объектив ... и вы фокусируете весь отраженный свет в точку, этого должно быть более чем достаточно, чтобы поджечь лист бумаги, не так ли?»

В этом случае использование солнечных батарей не отвечает на вопрос.

Ответ - нет. Независимо от линз, вы не можете сделать поверхность ярче, чем поверхность Луны. Это термодинамика. см.: второй закон термодинамики

Второй закон термодинамики гласит, что полная энтропия изолированной системы всегда увеличивается с течением времени.

Другими словами, энергия не может течь из более холодной области в более горячую.

Это также можно объяснить с точки зрения оптических расчетов. См.: Комментарий CuriousOne о пассивной оптической системе и консервации этендуэ. Вы должны увидеть этот пост. Особенно ответ CountIbis, который объяснит ограничения с помощью оптических расчетов.

Если объект излучает как черное тело, имеет радиус R, температуру TT и находится на расстоянии d, то поток излучения, достигающий линзы, равен:

$$F = \sigma T^4 \left(\frac{R}{d}\right)^2 = \sigma T^4 \alpha^2$$ Суммарная мощность излучения, поступающего в линзу ПП, равна произведению площади раскрытия линзы на поток: $$P = \pi r^2 F = \pi \sigma T^4\alpha^2r^2$$ Эта мощность в конечном итоге нагревает область изображения в фокальной плоскости. Поток радиации там: $$F_{\text{im}} = \frac{P}{\pi\alpha^2f^2} = \sigma T^4\frac{r^2}{f^2}$$ Предположим, что вы поместили черное тело в плоскость изображения, тогда температура в нем была бы$T_{\text{im}}$куда$\sigma T_{\text{im}}^4 = F_{\text{im}}$следовательно: $$T_{\text{im}} = \sqrt{\frac{r}{f}}T$$ Отношение фокусного расстояния f к диаметру объектива называется числом F, и оно всегда больше 1 . Таким образом, коэффициент, умножающий TT в приведенном выше уравнении, всегда будет меньше 1 , поэтому таким образом вы никогда не сможете достичь более высокой температуры, чем температура объекта .

Вы также должны увидеть ссылки @zubo http://what-if.xkcd.com/145/

Поскольку вопрос никоим образом не ограничен, ответ да , это возможно. Возможно ли это "реально" - нет .
Чтобы сделать это возможным, все, что вам нужно сделать, это сконцентрировать лунный свет (оптически или электрически) до тех пор, пока у вас не будет энергии, необходимой для достижения точки воспламенения материала. что делает его нереалистичным , так это размер, стоимость и / или время, затрачиваемое на создание «концентратора».