La temperatura más alta posible de alcanzar usando lupa y luz solar [duplicar]

La temperatura de la superficie del sol es de aproximadamente 5750K. ¿Puedes calentar un objeto a más de 6000 K usando una lupa y la luz del sol? De acuerdo con la segunda ley, el calor no se puede transferir de un objeto más frío a uno más caliente y, por lo tanto, no debería ser posible calentar nada a una temperatura superior a 5750 K utilizando solo la luz solar y una lupa.

Además, sé que es posible lograr temperaturas mucho más altas usando electricidad de las celdas solares, pero este no es el mismo caso ya que la celda solar no es 100% eficiente (y funciona solo cuando su temperatura es inferior a 5750K) mientras que la lupa puede ser 100% eficiente.

Su argumento de la segunda ley es acertado. También es cierto que uno puede alcanzar cualquier temperatura deseada si tiene un baño de tercera temperatura que es más bajo que la temperatura del sol. Así es exactamente como las células solares pueden extraer energía neta que se puede utilizar de cualquier manera que deseemos, incluso para alimentar láseres, aceleradores de partículas, etc., que son todas máquinas que pueden alcanzar temperaturas mucho más altas. El máximo. La eficiencia de esas celdas solares viene dada básicamente por la eficiencia de Carnot de la celda que funciona entre la temperatura del sol y 300K y es de aprox. 95%.
Landau/Lifshitz V (Mecánica estadística) discute el caso de la lente en detalle al final de §63 Radiación térmica (al menos en el límite de la óptica geométrica). (Espero que el número de sección sea correcto, obtuve esto de la edición alemana más reciente de la serie Landau/Lifshitz).

Respuestas (1)

Puede bombear calor de objetos fríos a objetos calientes si paga un poco más de energía (eso es lo que está haciendo su refrigerador) y eso no viola la segunda ley de la termodinámica.

Debe notar que a medida que calienta el objeto, su radiación térmica aumentará. La intensidad (es decir, la potencia por unidad de superficie) de la radiación térmica es proporcional a T 4 entonces, cuando la temperatura de su objeto es más alta que la del sol, su intensidad será mayor, pero si su lente pudiera enfocar los rayos provenientes de un área del sol más grande que el área de su objeto, aún podría proporcionar más energía. Pero, ¿qué tan grande podría ser tu objeto?

Supongamos que tenemos una lente con un radio de 10 cm que podría enfocar todas las luces que inciden sobre nuestro objeto. El flujo que recibe nuestra lente es mucho menor que el flujo en la superficie del sol ( R ⊙ es el radio del sol, d es la distancia media sol-tierra):

L yo mi norte s = L ⊙ ( R ⊙ d ) 2 = 2 × 10 − 5 L ⊙ PAG yo mi norte s = A yo mi norte s L yo mi norte s = π r 2 L yo mi norte s

Cuando su objeto está a la misma temperatura que el sol, su intensidad es la misma que la del sol (asumiendo que tienen la misma emisividad):

L o b j mi C t = L ⊙ PAG o b j mi C t = A o b j mi C t L ⊙

Entonces, para tener la misma potencia de entrada y salida:

A o b j mi C t = 2 × 10 − 5 π r 2 = 0,66  milímetro 2

Eso es menos de un milímetro cuadrado y si desea ir a temperaturas más altas, debe tener un área de superficie aún más pequeña. Lo que sucede aquí es que estás irradiando una gran cantidad de energía de entrada hacia el entorno para aumentar tu temperatura solo en una pequeña cantidad.

Por supuesto, también podría hacer esto con celdas solares, pero necesita celdas solares más grandes, ya que su eficiencia suele ser de alrededor del 20%.

Aún así, su explicación permitiría producir temperaturas más altas que la fuente. El problema es que basaste tu razonamiento solo en la óptica geométrica, mientras que en este punto la naturaleza ondulatoria de la luz jugará un papel clave (según tengo entendido).
Esta respuesta es incorrecta. Esta respuesta supone que puede enfocar la luz del sol en áreas pequeñas arbitrarias. Sin embargo la conservación de etendue asegura que esto no sea posible en.wikipedia.org/wiki/Etendue . Esta respuesta y el comentario inmediatamente siguiente physics.stackexchange.com/a/140986 explican esto con más detalle.
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