Можно ли вскипятить/обеззаразить воду теплом от увеличительного стекла?

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.

newatlas.com/solar-kettle/27594 и amazon.com/Portable-Water-Heater-SunRocket-Sunlight/… . Никогда ими не пользовалась, отзывы неоднозначные.
Солнечная дезинфекция, по-видимому, использует аналогичный принцип, позволяя солнечному свету убивать бактерии с помощью тепла и/или ультрафиолетовых лучей. Также есть некоторые продукты, использующие простое увеличение прозрачного пластика спереди и отражающую заднюю часть, которые должны привести воду в безопасное состояние. gearjunkie.com/sol-water-purification-bladder . И, навскидку, зная, насколько горячим может стать попадание света в закрытую систему (т. е. через автомобильные окна), я ожидал бы, что тепло будет частью такой системы, если не всего процесса.
Если вы используете увеличительное стекло, убедитесь, что его диаметр значительно больше диаметра контейнера. Это потому, что увеличительное стекло концентрирует свет. Другими словами, он берет весь свет, который должен попасть на всю тень линзы, и направляет его в одну точку. Тепло быстро рассеивается в воде, особенно если она может свободно перемещаться в контейнере. Следовательно, если тень от увеличительного стекла не больше сосуда, то на сосуд попадает одинаковое количество солнечного света независимо от того, используете ли вы увеличительное стекло.
Был эпизод шоу Discovery «Обнаженные и напуганные», где участница взяла с собой увеличительное стекло в качестве единственного предмета для выживания и попыталась это сделать. Если я правильно помню, ей пришлось покинуть шоу с тепловым ударом, потому что она слишком долго просидела на солнце, пытаясь обеззаразить воду.
Это не было бы моим первым выбором единственных предметов для выживания ... лол

Ответы (3)

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.

Спасибо за объяснение и за науку в цифрах, я подумал, что это маловероятно, но мне понравилось слушать математику, почему!
Обратите внимание, что большую параболу из фольги можно достать (и носить в сложенном виде) намного проще, чем большое увеличительное стекло. Применяются те же расчеты площади, за исключением того, что важна не фактическая площадь фольги, а кажущаяся площадь параболы, если смотреть со стороны солнца.
Другой способ подумать о том, почему это не сработает, состоит в том, что единственный способ заставить его работать - это встроить его в какой-то солнечный дистиллятор, что запрещено предпосылкой вопроса.
@whatsisname: испарение и конденсация в солнечном дистилляторе деминерализует (соленую) воду и отделяет воду от твердых загрязнителей. Но испарение может происходить и происходит при температурах значительно ниже температуры кипения (или Т, что считается необходимым для уничтожения микробного загрязнения), поэтому я бы не стал автоматически считать воду безопасной для питья с микробиологической точки зрения. При кипячении воды происходит «противоположное»: вся емкость нагревается, чтобы убить микробы, но соль и другие загрязняющие вещества остаются внутри.
300 Вт/м² — это довольно мало: средние значения с учетом ночи en.wikipedia.org/wiki/Solar_constant дают 0,5 — 1 кВт/м². Кроме того, линза будет расположена параллельно падающему солнечному свету, так что широта не так важна, как мощность на поверхности земли. Электрические чайники потребляют от 1 до 3 кВт, поэтому 1-3 м² эффективного сбора (и изоляции) дадут вам то же время, что и кипячение воды в электрическом чайнике. Тем не менее, эффективность как сбора, так и изоляции будет означать полностью развитый en.wikipedia.org/wiki/Solar_cooker , который не является легким рюкзаком...
Математика технически верна, но цифры нет ... Иначе это не было бы amazon.com/Portable-Water-Heater-SunRocket-Sunlight/…
Я не видел их, это довольно аккуратно, так что, похоже, это возможно с системой параболических отражателей, что имеет смысл, поскольку с ними можно готовить.
@fgysin: 1 кВт/м² (например, ясный солнечный полдень в Германии, см. ссылку выше), объем заполнения солнечного котла 500 мл, площадь коллектора = 0,1 м² (2x11 см x 45 см): 500 г * 4,1852 Дж/г·К * 80 К / 100 Вт = 28 мин. На странице продукта заявлено 30 минут в идеальных условиях. Что сводится к ;-P: это нормально для небольшого количества воды, но нецелесообразно в качестве полной замены огня. Солнечные плиты особенно хороши в солнечном климате, если вы можете использовать их стационарно (так что большой объем не имеет значения) и можете надеть свои вещи и вернуться к приготовленной еде через пару часов.
@cbeleites: Спасибо, я пропустил, что 300 Вт/м² были в среднем, включая ночь. Таким образом, пиковая мощность в ясный день может быть в 3-5 раз больше, чем я использовал в расчетах выше. Это немного меняет цифры, но кипятить воду с помощью увеличительного стекла по-прежнему нецелесообразно . Солнечные коллекторы — это отдельная история.
@cbeleites Мне уже было интересно, как у вас будет солнечный свет в течение 48 часов (или, если у вас есть, начальная температура 20 ° C оптимистична)
Вода довольно прозрачна, поэтому она будет поглощать только часть тепла и будет терять тепло. В бассейновом покрытии бассейн быстрее нагревается за счет теплопотерь.

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

Для кипячения 1 л воды требуется одинаковое количество энергии, если делать это небольшими порциями за один раз или если делать это большими порциями.