¿Es posible aumentar la temperatura del sol usando la radiación del sol mismo?

Sabemos que podemos enfocar la radiación del sol y podemos quemar un papel. Si pensamos en este experimento mental, ¿sucederá eso? Si alguien construye un espejo cóncavo sobre el sol y concentra la radiación de otra parte del sol en un punto, ¿ese punto será más caliente que el exterior (todo está en el sol)? Supongo que esto puede violar algunas leyes de transferencia de energía o termodinámica, pero no estoy seguro. ¿Algunas ideas?

¿No es esto algo así como que una máquina está funcionando, estoy obteniendo trabajo de ella y realimentando a la máquina para 'acelerarla'? No soy un experto en física, pero intuitivamente pienso que esto puede no ser posible.

Tenga en cuenta que esto se puede reformular como "Si envuelvo aislamiento alrededor de una fuente de calor, ¿se calentará más que si no lo hago?".
@keshlam Pero una estrella puede cambiar de tamaño y también puede cambiar su tasa de generación de energía interna. Estás simplificando demasiado el problema.
No puede concentrar la radiación infrarroja en una habitación a temperatura constante para calentar una porción (termo 2da ley). SIN EMBARGO, la superficie del sol NO está en un ambiente de temperatura constante, recibe calor de las regiones más calientes debajo. El espejo lo calentará más, al igual que aliexpress.com/item/…
@RobJeffries: Sí, lo estoy simplificando. Sin embargo, creo que el punto de Kevin es el mismo que yo estoy diciendo. Independientemente de todas las demás cosas que puede hacer una estrella, si se genera calor y no puede escapar, debe volverse más caliente que si se genera calor y se le permite escapar. A largo plazo, ese calor adicional podría ser suficiente para causar la expansión y reducir la temperatura de la superficie nuevamente, o para cambiar la secuencia que sigue la estrella, o lo que sea... pero en escalas de tiempo humanas, la región se calentaría al retener el calor exactamente de la misma manera que se calentaría más si le bombeáramos calor adicional.
@Keshlam. En "escalas de tiempo humanas", el calor se distribuiría por toda la zona de convección del Sol y habría un cambio insignificante en la temperatura de la superficie. El espejo tendría que estar en su lugar para > 10 5 años para ver cómo se calienta la superficie.
@RobJeffries: "Superficie" está mal definida, pero concedo su punto de que el calor se difundiría hacia el exterior. No he hecho números sobre qué tan rápido, no sabemos qué tan grande es el espejo o qué tan enfocado está, así que no estoy convencido de que tengamos una respuesta clara para eso, pero si tiene algunas matemáticas para apoyar Estoy dispuesto a creer su conclusión.
@keshlam El tamaño del espejo es irrelevante para la escala de tiempo (a menos que cubra la mayor parte del Sol), que es la energía térmica de la envoltura convectiva dividida por la luminosidad del Sol. El enfoque es irrelevante para la escala de tiempo porque el transporte convectivo tiene lugar en escalas de tiempo de diez minutos. Por favor, lea mi respuesta.
@KevinKostlan Cubrir a un humano con una manta espacial no es una buena analogía. Los humanos no pueden expandir sus capas externas en respuesta a un aumento en la opacidad, reducir sus temperaturas centrales y la generación de energía interna. Las estrellas pueden.
@Rob: Cierto, una cobertura solar completa se hincharía y refrescaría. El autor de la pregunta estaba pensando en hacerlo a pequeña escala, más como envolver un dedo en una manta térmica.
@KevinKostian Lea mi respuesta. Esa es exactamente la situación que se está considerando.

Respuestas (5)

Si fuera posible reflejar la energía hacia el sol, sí, el lugar donde incide la energía se calentará más. De hecho, si pudiera aislar al sol de la energía radiante, entonces el sol se calentaría aún más.

Esto resulta ser cierto (si mantiene el espejo en su lugar durante mucho tiempo), pero no es del todo obvio. De hecho, si el Sol tuviera una zona de convección más profunda, no sería cierto. Debe argumentar por qué el exceso de luminosidad no se vuelve a irradiar mediante un aumento en el radio.
No estoy de acuerdo con que no sea obvio. Es trivialmente cierto con la conservación de la energía. El sol es una gran bola de materia que libera gradualmente la energía atrapada dentro de la materia a través de un proceso de autorregulación regido por su densidad de energía, que en última instancia se rige por la velocidad a la que irradia energía. Si de alguna manera pudieras reducir significativamente la velocidad a la que la energía radiaba, se calentaría y encontraría un nuevo equilibrio a una temperatura más alta, ya que la energía que estaba produciendo no tendría adónde ir (o más bien, tendría que esperar más tiempo para escapar). .
Tengo problemas para ajustar una respuesta dentro del límite de caracteres, pero argumento que para las estrellas similares al Sol con un equilibrio estable, la estabilidad del equilibrio garantiza que la disminución en la pérdida de energía dará como resultado un equilibrio con una energía latente más alta (que , para una estrella, correspondería directamente a una temperatura promedio más alta). Partes de la estrella, como la atmósfera exterior, podrían estar más frías, pero la energía total atrapada dentro de la estrella sería mayor. Este razonamiento solo se aplica si no elevas la temperatura lo suficiente como para perder el equilibrio, en cuyo caso el sol se desharía.
@Wug No, realmente no es obvio. Otra solución para el equilibrio se encuentra aumentando el radio y disminuyendo la temperatura central (por el teorema del virial). La luminosidad intrínseca cae mientras que la superficie sin calentar permanece a la misma temperatura. Esto es lo que sucedería en una estrella con una zona de convección más gruesa. Como digo, no es obvio y ciertamente no es trivial.
Pero si haces eso, no estarás en equilibrio porque la menor producción de energía del núcleo no calentará la estrella, que se enfriará y se contraerá.
@Wug Estás confundido. El equilibrio hidrostático exige una temperatura central proporcional a M/R. El equilibrio radiativo exige que la luminosidad del núcleo sea igual a la luminosidad de la superficie. Si se bloquea algún flujo en la superficie, la estrella puede responder manteniendo L constante y aumentando T o disminuyendo L y aumentando R, o algo intermedio. Los detalles dependen de la opacidad y la profundidad de la zona de convección.

LDC3 y Kitchi abordaron su pregunta principal, pero me gustaría comentar su segundo párrafo.

¿No es esto algo así como que una máquina está funcionando, estoy obteniendo trabajo de ella y realimentando a la máquina para 'acelerarla'? No soy un experto en física, pero intuitivamente pienso que esto puede no ser posible.

En realidad, ¡hacemos esto todo el tiempo! Los generadores de electricidad en las centrales eléctricas, por ejemplo, necesitan consumir algo de electricidad para funcionar (esto se llama excitación ). Para ponerlos en marcha, se necesita alimentación externa, pero una vez que están en marcha, solo alimentamos parte de la potencia de salida sobre sí mismos.

No viola ningún principio. No confunda la potencia de salida con la potencia generada . Cuando hay comentarios, por ejemplo, solo tendremos el primero más pequeño que el segundo, como:

PAGS o tu t pags tu t = PAGS gramo mi norte mi r a t mi d − PAGS F mi mi d b a C k

Solo las máquinas síncronas de rotor bobinado necesitan corriente de excitación para arrancar. Por supuesto, todos los generadores en las centrales eléctricas son máquinas síncronas de rotor bobinado, pero la mayoría de las demás máquinas eléctricas son tipos asíncronos o síncronos de imanes permanentes que no necesitan excitación externa.
@ntoskrnl eso es lo que tenía en mente, centrales eléctricas. Gracias por señalarlo, lo corregiré.

La ruta a la respuesta es algo anti-intuitiva. Al reflejar parte de la energía solar hacia el sol en un punto, está reduciendo efectivamente el flujo de energía que puede emerger de la fotosfera y escapar.

El efecto global de esto en el Sol debe ser similar al bloqueo del flujo en la fotosfera, en otras palabras, similar a los efectos de las manchas solares. El efecto local sobre la estructura de temperatura será, por supuesto, completamente diferente, porque las manchas solares son lugares donde la temperatura fotosférica es mucho más fría (1000 K) que la fotosfera sin manchas. Aquí, estaría creando un punto de acceso, sin embargo, el flujo que emerge de la superficie y escapa al infinito sería menor que para una estrella del mismo radio y temperatura efectiva donde no hay espejo.

Los efectos locales realmente serían bastante locales. La transferencia de energía por convección es muy efectiva justo debajo de la fotosfera, por lo que el exceso de energía se redistribuye en una escala de tiempo de rotación convectiva local (cinco minutos).

Los efectos globales se pueden tratar de manera similar a los efectos de las manchas solares. El artículo canónico sobre esto es de Spruit & Weiss (1986) . Muestran que los efectos tienen un carácter a corto plazo y luego una naturaleza a largo plazo. El punto de división es la escala de tiempo térmica de la envolvente convectiva, que es del orden 10 5 años para el sol.

En escalas de tiempo cortas, la luminosidad nuclear del Sol no cambia, habrá un efecto aditivo debido al punto caliente en la superficie, pero la estructura estelar sigue siendo la misma que la temperatura de la superficie. Como aproximadamente la mitad del flujo del punto de acceso va al Sol y solo la mitad al espacio, la luminosidad neta en el infinito (después de restar la bloqueada por el espejo) será menor, mientras que el flujo en el espejo aumentará.

En escalas de tiempo más largas, la luminosidad tenderá a permanecer igual porque el núcleo nuclear en llamas no se ve afectado por lo que sucede en la delgada envoltura convectiva. Sin embargo, aproximadamente la mitad del flujo reflejado por el espejo no puede escapar de la estrella. Para perder la misma luminosidad resulta que el radio aumenta y el área fotoesférica no afectada por el haz reflejado (la "región no manchada") se calienta un poco más. En este caso, el radio al cuadrado multiplicado por la temperatura fotosférica aumentará para asegurarse de que la luminosidad observada más allá del espejo permanezca igual, es decir, por R 2 T 4 ( 1 − β ) = R ⊙ 2 T ⊙ 4 , dónde β es la fracción de la luminosidad solar interceptada por el espejo.

Los cálculos de Spruit et al. (1986) indican que para β = 0.1 la temperatura de la superficie aumenta solo un 1,4 %, mientras que el radio aumenta un 2 %. De este modo R 2 T 4 se incrementa por un factor de 1.09. esto no es del todo ( 1 − β ) − 1 porque la luminosidad cae un poco.

Así que sí, si mantienes el espejo ahí por más de 10 5 años aumentarás la temperatura del Sol, pero quizás no tanto como hubieras pensado.

Edición adicional:

La discusión anterior es válida para el Sol porque tiene una zona de convección muy delgada y las condiciones en el núcleo no se ven muy afectadas por las condiciones en la superficie. A medida que la zona de convección se espesa (por ejemplo, en una estrella de secuencia principal de menor masa), la respuesta es diferente. El aumento del radio se vuelve más pronunciado; para mantener el equilibrio hidrostático, la temperatura del núcleo disminuye y, por lo tanto, también lo hace la generación de energía nuclear. La luminosidad de la estrella cae y la temperatura de la superficie se mantiene más o menos igual.

Es por eso que hice comentarios sobre otras respuestas aquí, porque aunque afirman correctamente que el Sol se calentará más, no es obvio que esto deba ser así y, de hecho, no sería así para una estrella de menor masa.

No habrá una violación de la termodinámica porque no estás creando energía de la nada. La energía total del sistema aún se conserva, solo se retroalimenta al sistema.

Esto es lo que probablemente sucederá: el espejo cóncavo no reflejará perfectamente, por lo que reflejará algo como 99 % de la energía incidente. Esta energía (aunque muy grande) no es suficiente para encender la fusión en el sol.

El punto en el que se enfoca el haz estará entre la corona (donde el gas es muy escaso) y el núcleo (donde el gas es denso), y calentará las partículas en esa vecindad a un poco más que la temperatura ambiente local.

La pequeña bolsa de gas que se calienta con el espejo estará un poco más caliente y, por lo tanto, un poco menos densa que el entorno, y esto desencadenará un bucle de convención. El sol ya tiene una zona de convección, por lo que colocar un espejo no le ayudará mucho.

Ciertamente no hay fusión. Si el espejo refleja el 99 %, establecerá un nuevo equilibrio en el que el sol irradia 100 veces más energía, el 99 % se refleja y el 1 % se absorbe en el espejo. La energía radiante aumenta a la cuarta potencia de la temperatura, por lo que la temperatura debe aumentar la cuarta raíz de 100x para equilibrarla: 3,16x la temperatura, 18.271K. Obtendrás una estrella de color UV.
Gregory Benford y Larry Niven tienen un libro de ciencia ficción llamado 'Bowl of Heaven' en el que una estructura en forma de cuenco se arrastra detrás de una estrella. El cuenco en sí tiene una porción significativa reflejada que se refleja en la estrella y hace que ese punto se caliente y se encienda. Los destellos asimétricos consistentes en la estrella luego impulsan todo el sistema de estrellas y cuencos. ( artículo sobre la idea y la física detrás de ella ).
¡Derecha! Por cierto, los espejos prácticos (diseñados hasta ahora) tienen una reflectividad de solo alrededor del 85% o algo así. La termodinámica siempre sostiene que la eficiencia nunca es del 100% :)
@Loren Petchel Eso no es lo que sucedería. En el caso de una perturbación tan grande, el Sol se expandiría, la combustión nuclear disminuiría e incluso es posible que la superficie se enfriara (más luminosidad no es igual a una superficie más caliente).
@LorenPechtel - Lo siento, debería haberlo dejado claro. En mi respuesta, estoy considerando que este espejo hipotético es una fracción del tamaño del sol. es decir, reflejando sólo un pequeño % (como máximo) de la radiación emitida.
@Kitchi En cuyo caso, mi respuesta y fórmula serán más o menos correctas, porque la analogía de las manchas solares será buena.
@RobJeffries Sí, después de que se volviera de color UV, se expandiría para volver a equilibrar las cosas.

Sí. En lugar de permitir que la energía irradie al espacio, la estás conteniendo y enviándola de regreso a la fuente. Piense en el fuego en una habitación frente al fuego en el exterior: en el exterior, el calor se pierde en el medio ambiente, pero en una habitación permanece y calienta la habitación a una temperatura mucho más alta que la del fuego exterior que calienta el aire circundante.

¿Es posible aumentar la temperatura del sol usando la radiación del sol mismo?
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