¿Puedes usar la luz del sol para calentar la superficie de un objeto a más caliente que la superficie del sol? [cerrado]

Estaba leyendo esta pregunta: concentrar la luz solar para iniciar la reacción de fusión y algunos de los comentarios, así como una respuesta, sugieren que la segunda ley de la termodinámica impide lo que pregunto en el título. Me preguntaba si ese es realmente el caso porque: 1) El sol y un objetivo pequeño (por ejemplo, gránulos de deuterio) no son cantidades iguales de gas en equilibrio. 2) Incluso si no se requieren cantidades iguales de gas, es más como enfocar la luz desde un lado de la caja hacia una región más pequeña en el otro lado. 3) Hay masa que se está convirtiendo en energía en el centro del sol que puede fluir de un lugar a otro y accionar un motor... en otras palabras, esta configuración no generaría movimiento perpetuo ni comida gratis.

Y aquí está mi intento de cálculo: el reflector parabólico más grande que conozco tiene 500 metros de ancho (área ~ 500*500*3,14 = 785000 m^2). La superficie terrestre recibe 1000 vatios por metro cuadrado, por lo que 785000*1000=785 000 000 J/s también se señaló en la otra pregunta que no se puede enfocar en un punto arbitrariamente pequeño. Así que vamos a verter la energía en un vaso de agua, ¿no? Calor específico del agua: 4,18 julios por gramo por grados c. gramos, una taza de agua pesa alrededor de 236 gramos

Así que si juntamos todo eso obtenemos: (785,000,000 J/s)/[(4.18 J/gc)(236 g)] = 795759 c/s

Si la superficie del sol es de 5505 grados, ignorando las pérdidas, ¿cuánto tiempo tomaría calentar el agua a esa temperatura desde la temperatura ambiente o 25 grados c? (x segundos)(velocidad)=5505-25=5480

x~6.9*10-3 segundos

Entonces, para evitar que la taza de agua exceda la temperatura en la superficie del sol, tendría que enfriarse más rápido que esa fracción de segundo, por supuesto que hervirá, se plasmará y se expandirá rápidamente, pero tenga en cuenta que estoy usando una parábola de telescopio relativamente pequeña, podríamos hacer el mismo cálculo pero con un diámetro mucho mayor y obtener x segundos mucho más pequeños. Además, cuanta más luz solar capture, mayor será la presión que ejercerá sobre el objetivo, lo que evitará que se enfríe. No puedo ver por qué no sería posible exceder la temperatura de la superficie.

Editar:

Estoy seguro de que la afirmación en la pregunta vinculada anterior (que no puede hacer que el objetivo sea más caliente que la superficie del sol) es incorrecta. Básicamente, mi pregunta es cuál es el problema teórico y en qué se diferencia el problema real del teórico. Alternativamente, si me equivoco y el problema real no se desvía significativamente del teórico, ¿por qué el cálculo anterior es engañoso? En el cálculo anterior, muestro que existe una relación entre los metros cuadrados de sección transversal de la óptica de enfoque (por ejemplo, la parábola reflectante) y el número de segundos que tomaría elevar el objetivo a la temperatura de la superficie del sol. Un número de órdenes de magnitud más área, y me resulta inconcebible que el objetivo pueda enfriarse lo suficientemente rápido como para no calentarse más que la temperatura especificada.

Según tengo entendido, el problema teórico se deriva de la segunda ley de la termodinámica. Una declaración de eso es la siguiente: no puede usar un cuerpo más frío para calentar espontáneamente un cuerpo más caliente. En otras palabras, no puedes hacer un refrigerador perfecto. O la refrigeración requiere que se realice un trabajo en el sistema. ¿Quizás la óptica está haciendo el trabajo? Lo que me da una idea, si el sistema fuera solo el reflector, el objetivo y la estrella, entonces tal vez la presión de la radiación solar separaría todo lo suficientemente rápido.

Una vez que el objetivo se calienta más que el sol, ¿qué impide que los fotones abandonen el objetivo caliente y fluyan de regreso a través de la misma óptica para calentar el sol?
No hay límite teórico en la temperatura. Solo hay un límite en el flujo de energía de la luz solar concentrada. En termodinámica distinguimos entre trabajo y calor, y el trabajo es energía que puedes poner en un solo grado de libertad. Hay límites de la segunda ley sobre cuánto trabajo puede extraer de un sistema dado. Si en lugar de trabajo solo desea bombear sombrero a cierta temperatura T, encontrará que la eficiencia siempre es mayor que en el caso de extraer trabajo y se vuelve más cuanto menor es T y recupera el resultado para el trabajo en el límite de T infinita
Martin Beckett, si los fotones creados en el sol solo salieran a lo largo de esa óptica y al objetivo y regresaran a lo largo de la misma óptica, entonces el objetivo y el sol continuarían calentándose, pero todavía no hay almuerzo gratis porque tienes un núcleo de fusión descarga energía continuamente en las dos superficies y, en realidad, ¡la luz irá en todas direcciones! ¿Por qué estaría confinado solo a esos caminos ópticos?
@ user27382 Te estás perdiendo un hecho clave en tu comentario anterior: cuando un objeto emite fotones, se enfría. Además, la fusión no comienza hasta muy por encima de la temperatura de la superficie del sol, por lo que no hay fotones adicionales que entren en la imagen. Otro hecho clave que puede no ser obvio para usted (al principio no lo era para mí): los sistemas ópticos hechos de lentes y espejos son siempre reversibles .
@probably_someone Estoy de acuerdo con la reversibilidad de la óptica, la luz del objetivo debería golpear principalmente la parábola y reflejarse a lo largo del eje de simetría y regresar principalmente a la estrella. Además, cuando las cosas emiten fotones, se enfrían. Pero cuando las cosas absorben fotones, se calientan. Entonces, si haces rebotar un número fijo de fotones, la energía total permanecerá fija, pero la energía del sol se regenera...
Aquí hay algo que no había considerado: tal vez si configura el experimento, podría calentar el objetivo más caliente que la superficie del sol ... PERO también calentaría ese parche de la superficie del sol en el camino óptico más caliente que 5505
Me imagino que ya que hice una nueva pregunta más específica, dejaría un enlace aquí a esa: physics.stackexchange.com/questions/384713/…

Respuestas (1)

Aquí hay un argumento que me gusta, que está parafraseado por el usuario chrisitan.wolff en los foros de XKCD ( http://forums.xkcd.com/viewtopic.php?t=113444 ), combinado con algo de la lógica de Randall Munroe en el correspondiente XKCD Qué pasa si ( https://what-if.xkcd.com/145/ ):

La temperatura de cualquier objeto en equilibrio con el campo electromagnético es el promedio sobre el tamaño angular de las temperaturas de las fuentes que ve, ponderada por sus emisividades.* Esto significa que los cuerpos que parecen más grandes para el objeto en cuestión contribuyen más a la temperatura del objeto. .

Un sistema óptico que hace converger la luz en un objetivo hace que la fuente de luz sea más grande en el campo de visión del objeto. No hace que ningún punto individual de la fuente parezca más caliente, porque eso violaría la reversibilidad del sistema óptico.

He aquí por qué: si hizo que algún punto de la fuente pareciera más brillante (que aquí es sinónimo de más caliente), entonces el sistema tendría que reunir luz de al menos dos puntos de la fuente y combinarla en un punto de la imagen. La reversibilidad significa que un solo rayo de luz que ingresa al sistema tiene precisamente un camino fuera de la lente, independientemente de la dirección en la que viaje. Con este sistema de iluminación de fuente, si tomamos rayos de luz que salen del objetivo y entran en el sistema, estos rayos ahora tienen dos o más caminos posibles para regresar a la fuente. Por lo tanto, el sistema no es reversible, lo cual es imposible. Por lo tanto, no puede hacer que ningún punto de la fuente parezca más brillante/caliente.

Entonces, ahora que hemos establecido que su sistema no puede aumentar la temperatura percibida de la fuente, sino que solo puede aumentar su tamaño angular percibido, el resto del argumento sigue fácilmente. Tomemos el mejor de los casos, donde el sistema está diseñado de manera tan inteligente que el Sol ocupa todo el campo de visión del objeto. Luego, tomando el promedio de un grupo de puntos idénticos, la temperatura del objeto es la temperatura del Sol. Cualquier otra configuración tiene menos Sol en el campo de visión del objetivo, por lo que la temperatura del objetivo sería más baja. Por lo tanto, la temperatura del objetivo no puede exceder la temperatura del Sol.

*La emisividad del objetivo en sí no afecta su temperatura, por sorprendente que parezca (ver ¿ Es la temperatura de equilibrio de un cuerpo negro más alta que la de otros objetos? ).

Hmm... No sé acerca de este "tamaño angular percibido". Pero, ¿aumentar el tamaño de la lente no aumentaría la cantidad de flujo capturado? Es decir, aumentar la cantidad de rayos en cualquier diagrama y, por lo tanto, aumentar la temperatura que es posible lograr. No divide ningún fotón, las lentes más grandes literalmente capturan más fotones y, por lo tanto, permiten temperaturas más altas.
@user273872 Sí, una lente más grande captura más fotones de la fuente. Estos fotones hacen que la fuente parezca más grande, mientras que el flujo de fotones de la fuente se mantiene igual en todos los puntos. No aumenta el flujo en sí mismo, solo el área sobre la cual el objeto ve un flujo más alto. ¿Ves algún defecto en la lógica que he demostrado? Hasta ahora no ha refutado nada de la lógica en la respuesta; si tienes razón, entonces deberías poder refutar mi respuesta.
¿Quizás la falla tiene que ver con tratar las cosas como puntos donde en realidad los dos fotones de la fuente se combinan en un átomo?
¿Puedes usar la luz del sol para calentar la superficie de un objeto a más caliente que la superficie del sol? [cerrado]
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