Немного гипотетически, но исключая возможность использования солнечного дистиллятора или метода SODIS, можно ли сделать воду пригодной для питья, используя солнечное тепло через увеличительное стекло?
Бумага самовоспламеняется при 451°F, вода кипит при 212°F, но это в одной концентрированной точке, когда бумага горит под увеличительным стеклом. Можно ли таким же способом вскипятить немного воды? Для этого предположим, что у вас есть увеличительное стекло диаметром 3,5 дюйма и множество различных небольших контейнеров из стекла или металла.
Я понимаю, что затем вы можете разжечь огонь и вскипятить воду в металлическом контейнере, но мне просто любопытно, можно ли с помощью этого метода нагреть воду настолько, чтобы ее можно было пить, не ставя ее на огонь. Поскольку пожары вызывают дым, допустим, вы находитесь в нежелательном месте, где дым от огня может выдать ваше местоположение, когда вы этого не хотите.
Давайте проведем некоторые предварительные расчеты.
Удельная теплоемкость воды — это количество энергии, необходимое для повышения температуры определенного количества воды на 1 градус С. Это 4,186 Дж/грамм °С (эталонное значение) .
Чтобы поднять температуру 1 л воды (1000 г) на 80 градусов С (до кипения с комнатной температуры), потребуется 4,186 * 1000 * 80 = 334 800 Дж.
Количество солнечного света, падающего на квадратный метр земной поверхности, составляет максимум около 300 Вт/м² (справочное) . Ватт — это джоуль в секунду, значит, вы можете получить 334 800 джоулей с квадратного метра солнечного света за 334 800 / 300 = 1116 секунд, или примерно 19 минут.
Конечно, увеличительное стекло площадью квадратный метр было бы довольно тяжелым и громоздким для переноски. Большой, диаметром 9 см (3,54 дюйма), будет иметь площадь около 64 см², или 0,0064 квадратных метра. С помощью этого увеличительного стекла наш 1 литр воды вскипятится примерно в 157 раз быстрее, или примерно 175 000 секунд, или чуть более 48 часов.
Как видите, количество энергии, которую вы можете получить непосредственно от солнца, недостаточно для кипячения любого полезного количества воды за разумное время. Даже если бы вы захотели выпить всего 100 мл, это все равно заняло бы весь день.
Дискуссия действительно теоретическая, потому что она кажется мне непрактичной, хотя и возможной. Прежде всего, есть большая разница между бумагой (твердой) и водой (жидкой). В жидкости поглощенная световая энергия распределяется молекулярным движением довольно быстро и вы не обязательно получите такую горячую точку, как на листе бумаги. Доля поглощенного света, конечно, в любом случае будет нагревать воду.
Кроме того, есть разница, используете ли вы увеличительное стекло или зеркало. Увеличительное стекло работает на просвет, не сильно меняя среднее направление света. Следовательно, он будет излучать на воду значительно больше света - и тем самым вызывать дополнительный общий нагревательный эффект - только в том случае, если его поверхность больше, чем проекция поверхности контейнера в направлении падающего света. Зеркало отличается независимо от его размера, потому что оно работает с коэффициентом отражения и может перенаправлять на воду много света, который в противном случае не попал бы в воду.
Однако, как уже указывал папарацци в комментарии, вода прозрачна в УФ и большей части видимого спектра, поэтому большая часть солнечной энергии вообще не поглощается водой. Этот источник утверждает, что 50% энергии солнечного света приходится на инфракрасный свет, который легко поглощается водой. Говорят, что почти весь инфракрасный свет поглощается в пределах первых 10 см, поэтому ваш контейнер должен быть такой глубины для максимального поглощения энергии и с такой максимальной скоростью нагрева, вызванной поглощением света водой. Поскольку мы можем с уверенностью предположить, что мы находимся в области линейной оптики, поглощение следует закону Бера , который гласит, что интенсивность света экспоненциально падает с глубиной проникновения, поэтому глубина контейнера чуть менее 10 см, вероятно, не имеет большого значения.
Что не менее важно, чем поглощение света водой, так это поглощение света контейнером. Если у вас есть черная кастрюля, она дополнительно поглотит большую часть видимого (и, возможно, ультрафиолетового) солнечного света, и это позволит нагреть вашу воду намного быстрее. Так же работают солнечные души (обратите внимание, что они не используют фокусирующую оптику), плиты и т. д. Соответствующие оценки скоростей нагрева при таких сценариях полного поглощения уже даны в ответе Грега Хьюгилла и соответствующих комментариях.
Может быть, вы могли бы присоединить очень тонкую стеклянную трубку к большому потоку воды, немного похожему на лейку, но с тонким носиком, а затем использовать увеличительное стекло, чтобы вскипятить воду в самом верху трубки и сконденсировать пар. Колодец с водой наполнил бы трубку Так что все время, пока вы кипятите чайную ложку воды, я видел, как мгновенно увеличительное стекло может обжечь мою кожу Просто идея перестать нагревать всю воду за один раз
епископ
Мега
Артур
Крейг Х
Нейт В.