Верен ли xkcd «что, если» Рэндалла Манро, что увеличенный лунный свет не может сделать вещи горячее, чем луна? [дубликат]

Примечание: я НЕ спрашиваю, можно ли использовать лунный свет для разжигания огня. Я спрашиваю, верны ли эти конкретные аргументы в поддержку утверждения, что это невозможно. т.е. я ищу ответ, который конкретно касается физики этих аргументов.

На этой странице сделаны следующие заявления:

  1. Вы не можете разжечь огонь лунным светом, каким бы большим ни было ваше увеличительное стекло.

  2. Общее практическое правило: нельзя использовать линзы и зеркала, чтобы сделать что-то более горячим, чем поверхность самого источника света. Другими словами, вы не можете использовать солнечный свет, чтобы сделать что-то более горячим, чем поверхность Солнца.

  3. Линзы и зеркала работают бесплатно; они не требуют никакой энергии для работы. Если бы вы могли использовать линзы и зеркала, чтобы заставить тепло течь от Солнца к месту на земле, которое горячее, чем Солнце, вы бы заставляли тепло течь от более холодного места к более горячему без затрат энергии. Второй закон термодинамики говорит, что вы не можете этого сделать. Если бы вы могли, вы могли бы сделать вечный двигатель.

  4. (больше заявлений, которые я здесь опущу)

Я не верю этому утверждению и не следую никаким рассуждениям.

Во-первых, я не понимаю, что такое вечный двигатель:

  • Если это относится к первому закону термодинамики (сохранение энергии), то вполне возможно потерять энергию, продолжая нагревать объект, что позволит избежать вечного движения, так что я не понимаю аргумент.

  • Если это относится ко второму закону термодинамики (возрастание энтропии), то оно также неверно, потому что беспорядок в системе все равно увеличивается.

  • Если это о чем-то другом, то я не знаю, что это.

Во-вторых, вот видео, на котором парень использует зеркало, которое может держать в руке, чтобы поджечь бумагу.
Ясно, что само зеркало не нагревается так сильно, как он делает газету, и ясно, что зеркало отражает солнечный свет.
Так как же можно утверждать, что бумага принципиально не может нагреваться сильнее, чем отражающая поверхность? Почему поверхность Луны не может вести себя так же (хотя и с меньшей отражательной способностью)?

Может кто-нибудь объяснить? Рэндалл путает тепло с температурой? Или, может быть, проводимость с излучением? Или я упускаю что-то тонкое (или, возможно, не очень тонкое)?

Вы упускаете как минимум две вещи. Во-первых, речь идет о температуре поверхности Солнца, а не зеркала: зеркала не работают, поглощая излучение, а затем переизлучая его как абсолютно черное тело. Во-вторых, фактический аргумент немного тонкий: если вы хотите понять его, поищите «сохранение этендуэ». Наконец, это, вероятно, дубликат, поскольку об этом уже спрашивали здесь.
Ваше утверждение "оно также неверно, потому что беспорядок в системе все еще увеличивается". это неверно. Если вы используете энергию объекта при температуре Т л о ж нагреть предмет до температуры Т час я г час , то да, энтропия высокотемпературного объекта увеличивается, но энтропия низкотемпературного объекта больше уменьшается, что нарушает второй закон.
@tfb: Подождите, так вы говорите, что свет от Луны поглощает излучение, а затем переизлучает его как черное тело? Вот почему он выглядит белым? (Не стесняйтесь помечать как дубликат, если это так, я не нашел его после быстрого поиска.)
@Chemomechanics: я говорил об увеличении энтропии на солнце, а не на бумаге.
@Mehrdad: Ах, нет, я не знал, что ты думаешь о луне как о зеркале Солнца. В этом случае, я думаю, все сложнее. Я думаю, что если бы луна была зеркалом, то в отражении можно было бы сделать вещи гораздо более горячими, чем ее поверхность. Но это не так, и я думаю, ключ к разгадке в том, что это диффузная поверхность, а потом все снова сводится к сохранению этендю. Я не совсем понимаю это (поэтому я не добавил ответ).
@tfb: Но нет принципиального различия между диффузным и недиффузным (зеркальным?) отражением. Это спектр, и нет ничего идеально зеркального. Так что это не может быть аргумент, который он использует. Кроме того, я понимаю, что диффузность отражения имеет значение только в том отношении, насколько далеко вы можете находиться от отражающей поверхности, все еще получая значительную часть энергии, поскольку изменение угла в каждой точке не меняет общее количество отраженная энергия; отражательная способность (или альбедо?) должна иметь значение, поскольку она определяет, сколько энергии поглощается. Но это вторично...
@sammygerbil: Это не совсем дубликат. Смотрите мою правку.
@Mehrdad Mehrdad Я думаю, что есть разница, и я думаю, что разница, вероятно, etendue. Например, рассмотрим очень большой белый лист бумаги, освещенный Солнцем: его альбедо близко к 1, но я думаю, что вы не можете использовать его, чтобы разжечь огонь. Но можно разжечь огонь зеркалом.
Как и ваш, вопрос Кальмариуса не требует ответа Да/Нет. Он спрашивает, верен ли термодинамический аргумент. Он имеет 8 ответов и многочисленные комментарии. Кальмариус также написал: «Можно ли сфокусировать излучение черного тела, чтобы сделать что-то более горячим, чем это черное тело?» , который имеет 5 ответов. Вы говорите, что ни один из этих ответов не касается того, что вы спрашиваете?
@sammygerbil: я не видел другого вопроса, на который вы только что ссылались, до сих пор. Мне потребовалось бы некоторое время, чтобы получить ответы, но даже сам Рэндалл указывает, что излучение Луны не является излучением абсолютно черного тела, поэтому мне не ясно, верен ли аргумент об излучении черного тела для этого вопроса. Беглый просмотр всех ответов не помог мне здесь ничего понять. Что касается первой ссылки о разжигании огня лунным светом, они в основном повторяют аргументы Рэндалла, что бесполезно.
Рэндалл должен ошибаться в этом. Даже если учесть этендуэ, Луна отражает огромное количество световой энергии, при достаточно большой апертуре она должна легко преодолевать рассеивание света. Яркость Луны в 10 ^ 14 меньше, чем у Солнца, поэтому, если вы сделаете коллектор с гораздо большей площадью, я не понимаю, почему вы не сможете этого сделать.

Ответы (1)

Так как же можно утверждать, что бумага принципиально не может нагреваться сильнее, чем отражающая поверхность? Почему поверхность Луны не может вести себя так же (хотя и с меньшей отражательной способностью)?

Может кто-нибудь объяснить? Рэндалл путает тепло с температурой? Или, может быть, проводимость с излучением? Или я упускаю что-то тонкое (или, возможно, не очень тонкое)?

Манро утверждает, что «Вы не можете использовать линзы и зеркала, чтобы сделать что-то более горячим, чем поверхность самого источника света», но в целом это неверно.

Его можно получить при некоторых предположениях об источнике света и облучаемом теле, некоторые из которых:

  • облучаемое тело находится в равновесии потока энергии (энергия, которую тело захватывает за некоторый промежуток времени, должна за это же время излучаться);

  • и источник света, и облучаемое тело ведут себя как черные тела.

Если бы это было верно для Луны и газеты, то газета не могла бы достигать более высокой температуры, чем Луна. Это связано с тем, что если бы газета была более горячей, она направила бы на Луну больше энергии излучения, чем получает от Луны, и это противоречило бы предположению, что Луна является источником.

Но даже если мы предположим, что поток энергии находится в равновесии, реальные тела, такие как Луна и газета, не являются черными телами. Они отражают часть падающего на них излучения, и их излучение в некоторых диапазонах длин волн может быть ниже, чем у абсолютно черного тела (довольно распространено), а в некоторых других диапазонах может быть выше (если материал флуоресцентный).

Если тело, облучаемое излучением Луны, изготовлено из материала с низким коэффициентом излучения для пика спектра теплового излучения Луны и высоким коэффициентом излучения для пика спектра теплового излучения Солнца, то излучение, отраженное от Луны (со спектром, подобным Солнцу), будет иметь гораздо большее влияние. от максимальной температуры тела.

Манро сам написал это:

«Но подождите», — можете сказать вы. «Свет Луны не такой, как у Солнца! Солнце — черное тело, его светоотдача связана с его высокой температурой. работа!"

Оказывается, это работает по причинам, о которых мы поговорим позже.

Но остальная часть статьи повторяет результат, действительный только в предположении абсолютно черного тела. Он нигде в статье не показывает, как аргумент работает, когда Луна и облучаемый объект не являются черными телами.

Не могли бы вы (или кто-либо другой) знать, что случилось с другим ответом, который раньше был здесь? В нем говорилось, что утверждение было очень близко к правильному (в пределах 3%), но теперь я не понимаю, почему оно исчезло ... был ли ответ неправильным?
Он был удален его владельцем, вероятно, потому, что возникла проблема, и он хочет подумать об этом, прежде чем редактировать и снова делать ее видимой.
Короче говоря, предполагалось, что тела подчиняются закону Стефана-Больцмана, но это не всегда верно для реальных тел. Для любой длины волны реальное тело будет излучать меньше или больше, чем черное тело, это характеризуется коэффициентом излучения, который зависит от длины волны и температуры. Тело с подходящей функцией коэффициента излучения должно иметь возможность нагреваться до более высокой температуры, чем температура источника света.
А, хорошо, спасибо. Да, я это понимаю (и спасибо, я проголосовал за ваш ответ), но после прочтения другого ответа мне интересно, насколько температура может здесь «выше». Я предположил, что он может легко подняться достаточно высоко, чтобы сжечь бумагу, но ответ заключался в том, что в этом случае он поднимется только на 3%, что довольно незначительно и дает представление о ситуации. Теперь я не уверен, было ли это утверждение ошибочным или нет...
Этого нельзя сказать вообще, это зависит от излучательных функций Луны и облучаемого объекта.
Да, для 3% он/она говорил конкретно о Луне. Я полагаю, что он/она использовал тот факт, что альбедо было около 10-20%. Было определенно удивительно читать, но очень полезно знать.
@JanLalinsky «Тело с подходящей функцией коэффициента излучения должно иметь возможность достигать более высокой температуры, чем температура источника света». Этого не может быть. Если бы это было так, было бы тривиально построить тепловую машину, нарушающую второй закон термодинамики.
@ Крис, под источником я имел в виду Луну, поскольку излучение исходит со стороны Луны, даже если какая-то его часть не является тепловым излучением Луны. Это излучение частично имеет характер излучения Солнца, имеющего большую температуру, чем поверхность Луны. Если есть предел достижимой температуры, то это должна быть температура Солнца, а не Луны.
@ JánLalinský Мне кажется довольно очевидным, что объект с низким альбедо должен действовать ближе к черному телу, чем к идеальному зеркалу. Мы согласны с тем, что если бы Луна была абсолютно черным телом, то самая высокая достижимая температура была бы самой высокой температурой поверхности на Луне, да? Но Луна гораздо ближе к абсолютно черному телу (у нее альбедо 0,12), чем к идеальному зеркалу.
@ Крис, я не уверен, что произошло бы, если бы тела были черными телами, и мы использовали линзы и зеркала, чтобы сфокусировать излучение на нагретом объекте. Но я знаю, что предел температуры, которого может достичь облучаемый объект, если таковой имеется, определяется состоянием ЭМ-излучения, с которым он взаимодействует, а не обязательно температурой тела, из которого он исходит (поскольку это не черное тело). Поскольку это излучение не является равновесным излучением, процессы внутри нагретого тела, вероятно, могут достичь более высокой температуры, чем если бы излучение было чисто равновесным при температуре Луны.
@ JánLalinský По крайней мере, это довольно близко к равновесному излучению. Быстрый расчет показывает, что равновесие достигается, когда температура Луны около 120 ∘ С , что соответствует дневной высокой температуре поверхности Луны.
@ Крис, что такое «довольно близко» и о чем ты? Моя точка зрения заключается в том, что излучение, исходящее от Луны, не имеет единой температуры и для определенных частотных диапазонов имеет более высокую интенсивность (а для других более низкую), чем у гипотетического черного тела с температурой и размером, равными поверхности Луны. Этот избыток отличен от нуля и может быть использован для нагревания другого объекта до более высокой температуры, чем черное тело. Разница может быть небольшой, но ее трудно определить без подробных расчетов.
Вы говорите: «Но остальная часть статьи повторяет результат, действительный только в предположении абсолютно черного тела». Я не думаю, что это неправда. Рэндалл, возможно, исказил аргумент, но я думаю, что за тем, что говорит Рэндалл, стоит реальный аргумент. Основная идея: поместить абсолютно черное тело на поверхность Луны. Нагреется до какой-то температуры. Тогда вы никогда не сможете использовать лунный свет, чтобы получить что-то более горячее, чем эта температура.
@PeterShor, может быть реальный аргумент, но я его там не видел, и я не уверен в вашем утверждении - почему температура гипотетического абсолютно черного тела в равновесии потока энергии с солнечным излучением должна ограничивать температуру, которую можно достичь с помощью неравновесное излучение нагревает не черное тело? Вы можете быть правы, но я не вижу аргумента, почему.
Вы правы насчет аргумента черного тела. У меня был знак наоборот. Но я по-прежнему думаю, что дело в следующем: если предположить, что отовсюду на Луне излучается одинаковая интенсивность и спектр света, вы не можете нагреть объект с помощью лунного света и линз до более горячего, чем этот объект стал бы, если бы он был окружен светом, излучаемым поверхность луны.
Это возможно, но 1) я не знаю, почему это должно быть правдой: хотя могут быть некоторые ограничения на то, насколько хорошо можно сфокусировать свет и, таким образом, усилить его интенсивность, но как это связано с температурой? Тело не является черным телом, и поэтому нет общепринятой связи между спектральной функцией окружающего излучения и температурой тела; 2) он действительно не дает конкретного предела достижимой температуры, так как совершенно не ясно, насколько велика была бы температура облучаемого объекта, если бы он был окружен светом, испускаемым с поверхности Луны.
(1) Вы не можете сфокусировать свет, чтобы сделать его более интенсивным, чем у источника. (Предполагая, что источник не является чем-то вроде лазера или зеркала, излучающего свет преимущественно в одном направлении.) Этот аргумент точно такой же, как и аргумент, доказывающий то же самое для излучения абсолютно черного тела. (2) Рэндалл ошибся, потому что разные объекты будут нагреваться по-разному в одном и том же (не абсолютно черном) излучении. Вспомните парниковый эффект.
Если мы можем сфокусировать свет, чтобы сделать его более интенсивным, чем у видимого источника для лазерного света или света, отраженного от зеркала, почему бы не сделать это для света, исходящего от поверхности Луны? Луна в нечернотельном неламбертовском источнике излучения, я сомневаюсь, что для нее действителен тот же аргумент, что и для черного тела. Если вы думаете, что это так, не могли бы вы дать ссылку или опубликовать ответ, где это будет объяснено?
@PeterShor, ссылка посвящена этендуэ в целом, в ней ничего не говорится об ограничении мощности на единицу площади той частью тела, от которой исходит излучение. Как вы сами подразумевали, если расходимость входящих световых лучей мала, например, для зеркала, отражающего солнечное излучение, интенсивность может быть увеличена за пределы того, что вблизи зеркала. Луна не зеркало, но имеет очень направленное отражение. en.wikipedia.org/wiki/Opposition_surge
В этой статье говорится, что эффект направленного отражения Луны увеличивается на 40%, вероятно, из-за сокрытия тени. Недостаточно близко, чтобы разжечь огонь.
Эффект оппозиции Луны — это просто пример, показывающий проблему с вашим общим утверждением о невозможности достижения большей интенсивности света. Я нигде не утверждаю, что лунным светом можно разжечь огонь. Весь этот вопрос о другом - верна ли аргументация Манро, и я думаю, теперь ясно, что это не так.
Верен ли xkcd «что, если» Рэндалла Манро, что увеличенный лунный свет не может сделать вещи горячее, чем луна? [дубликат]
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v