Maximale temperatuur mbv zonne-energie

Papatom

Hallo,

ik heb een discussie met een natuurkundeleraar gehad en hij zei dat als je de straling van de zon gebruikt om iets te verwarmen, je niet hoger kunt komen dan de temperatuur van de zon. Dat ligt aan de wetten van Kirchhoff en de tweede hoofdwet van de warmteleer. Ik had de stelling dat dat wel kan door een parabool of een lens te gebruiken kun je de dichtheid van de fotonen zover vergroten dat als je een stof daar zou plaatsen dat zou verwarmen tot boven de temperatuur van de zon.

Wie heeft gelijk?

met vriendelijke groet,

Tom

Jan van de Velde

Opmerking moderator

verplaatst naar thermodynamica

Michel Uphoff

door een parabool of een lens te gebruiken kun je de dichtheid van de fotonen zover vergroten

Ik vermoed dat je denkt dat het zonlicht in een punt samenkomt, maar dat is niet het geval.

Het brandpunt van een lens of parabool is slechts een punt als er ook een puntbron wordt gefocussed. Maar de Zon is geen punt, het is een schijfje. Dus ontstaat er in het brandpunt een beeldje van de Zon. Hoe groter de parabool of lens, hoe groter dat beeldje is. Iedere oppervlakte-eenheid ontvangt dus dezelfde hoeveelheid energie.

De beeldgrootte reken je als volgt uit (alles in dezelfde lengte-eenheden opgeven)

lensdiameter * objectgrootte
beeldgrootte = -------------------------------------
afstand

Je kan met een grotere parabool dus wel iets sneller of iets groters verwarmen, maar niet heter laten worden dan de bron. Overigens komt er nog wel wat meer bij kijken zoals aberratie, maar dat terzijde.

Een andere manier om er naar te kijken is vaststellen dat het object in het geval van de Zon bij een temperatuur van pakweg 5500 graden evenveel stralingsenergie uitzendt als het van de Zon ontvangt.

Bedenk wat er gebeurt als je van een lichte soldeerbout van 300 graden naar een zware soldeerbout van 300 graden overstapt. Je kan een forser stuk metaal op temperatuur brengen of een kleiner stuk metaal sneller, maar het metaal wordt nooit meer dan 300 graden.

Papatom

Hoi,

bedankt voor de snelle reaktie.

Ik dacht inderdaad dat het zonlicht in een punt samenkomt.

Helaas discussie verloren. Maar deze uitleg maakt het voor mij duidelijk waarom het zo is.

Een gedachtexperiment:
Kan het wel door een constructie te bouwen met spiegels/lenzen/parabolen waarmee je licht van de zon concentreert tot een hoger nivo dan met 1 lens of parabool?

jkien

Papatom schreef: hij zei dat als je de straling van de zon gebruikt om iets te verwarmen, je niet hoger kunt komen dan de temperatuur van de zon. Dat ligt aan de wetten van Kirchhoff en de tweede hoofdwet van de warmteleer.

Waarom die wetten is me niet duidelijk. Ik zou eigenlijk denken aan de wet van Stefan-Boltzmann, intensiteit I = σT⁴ (in W/m²). Een bolle lens of holle spiegel kan de intensiteit niet vergroten: I_beeld ≤ I_voorwerp dus T_beeld ≤ T_voorwerp.

Met een eclipsbrilletje en je eigen ogen kun je eenvoudig controleren dat de lichtintensiteit in het brandpunt kleiner is dan de intensiteit van het zonsoppervlak. Door het brilletje kun je de zon zien, maar de projectie van het brandpunt op wit papier is in de praktijk onzichtbaar door het brilletje, hoe groot de lens of spiegel ook is.

Michel Uphoff

Kan het wel door een constructie te bouwen met spiegels/lenzen/parabolen waarmee je licht van de zon concentreert tot een hoger nivo dan met 1 lens of parabool?

Tegenvraag om door jou te beantwoorden: Als ik met meerdere soldeerbouten van 300 graden een voorwerp verhit, kan dan de temperatuur van het voorwerp hoger worden dan 300 graden? Kan het brood heter worden dan de oven?

Papatom

Tja, dat lijkt me moeilijk........

bedankt voor de uitleg.

Ik heb trouwens met veel plezier verschillende onderwerpen doorgelezen. Is het ongepast om te reageren op onderwerpen die een paar jaar oud zijn?

met vriendelijke groet,

Tom

Michel Uphoff

Tja, dat lijkt me moeilijk..

Inderdaad, dat gaat niet. Dat is wat die tweede wet van de thermodynamica ons leert. Het brood zou dan op wonderlijke wijze de oven gaan verwarmen. Die tweede hoofdwet heeft veel gezichten/invalshoeken. Een ervan is: Het is onmogelijk dat warmte van een object met lage temperatuur naar een object met een hogere temperatuur stroomt. De temperatuur van de zonnestraling is ruwweg 5500 graden en dat is dan ook de (theoretische) maximum temperatuur van het voorwerp in het brandpunt.

Is het ongepast om te reageren op onderwerpen die een paar jaar oud zijn?

Nee hoor, natuurlijk niet. Als je daar wat aan bij te dragen hebt of er iets over wil weten, ga dan vooral je gang.

descheleschilder

Wat als je een lens ter grootte van de Zon neemt, met de juiste brandpuntsafstand en de juiste afstand tot de Aarde? Kan de energie van de Zon zich dan niet bundelen en er in het brandpunt op Aarde een temperatuur groter dan die op het Zonneoppervlak doen ontstaan? Of krijg je dan een enorme afbeelding van de Zon die Aarde meer dan helemaal bedekt?
Net zoals in het geval dat wanneer je een lens gebruikt om een klein rond zwart lichaam dat witheet is op metaal afbeeldt het metaal nooit een hogere temperatuur kan krijgen dan het witheet stralende lichaam?

jkien

De aarde ontvangt de maximale intensiteit als hij vanuit alle kanten beschenen wordt door de zon. Dat lukt met een grote ellipsoidale spiegel, met de zon in het ene brandpunt en de aarde in het andere. Dan wordt het overal op aarde net zo warm als wanneer je in de zon zou duiken. Met een oneindig grote lens wordt de aarde slechts van 1 kant beschenen, dan wordt het gemiddeld half zo warm als in de zon. (Centraal aan de dagkant even heet, maar aan de nachtkant 0 Kelvin)

Papatom

#10 als je bij de ellipsoidale spiegel een tweede stralingsbron erbij plaatst die je direct op de aarde laat schijnen kun je dan wel een hogere temperatuur bereiken?

Benm

Nope, als we ervan uitgaan dat sterren, planeten etc blackbody radiators zijn dan worden die nooit warmer dan hetgeen ze aanstraalt. Beperkende factor is dat ze op die temperatuur evenveel straling uitzenden dan ontvangen, en de temperatuur dus niet verder omhoog kan.

Overigens is dat in geval van de zon best een hoge temperatuur, in de orde van 6000K, genoeg om ieder bekend materiaal te doen smelten of verdampen.

jkien

Het doet denken aan een gebouw met een spiegelgevel die de zon veelvoudig reflecteert, zoals de Walkie Talkie.

Je wordt warmer van meerdere zonnen naast elkaar dan van een enkele zon. Maar als de spiegelgevel zodanig van vorm is dat de zon vanuit elke richting schijnt heb je het maximum bereikt. Als je er dan nog een lichtbron bij plaatst zou die een andere lichtbron afschermen.

Benm

Ik weet niet of die logica zo gemakkelijk op gaat, of kan me er weinig bij voorstellen.

Je kunt middels spiegels en lenzen arbitrair veel (in principe zoveel als pakweg de halve zon uitstraat) zonelicht concentreren op een relatief klein punt. De meest treffende hands-on experimenten daarmee kun je met een fresnell lens doen: Iets zo groot als een A4-tje concentreert genoeg energie om probleemloos hout en dergelijke aan te steken. Ga je zo ver als een vierkante meter dan kun je er stenen mee smelten.

Maar hoe groot je het ook maakt, heter dan ca 6000K kun je het object niet krijgen omdat het gewoon evenveel licht uitstraalt als het ontvangt en dus netto niet meer opwarmt.

Papatom

Ik heb op Wikipedia gekeken maar kom er niet uit. Daarom de volgende vraag:

Kun je met een fresnell lens een grotere intensiteit bereiken dan bij #3?

Ik denk het niet maar ik heb geen goede afbeelding gezien die dat illustreert. Een fresnell lens bestaat toch uit kleine cirkelvormige stukjes van een lens die ingekort en tegenelkaar geplakt zijn om een redelijk 'vlakke' lens te krijgen.

Wetenschapsforum

Laatste berichten

Nieuwsberichten

Maximale temperatuur mbv zonne-energie

Maximale temperatuur mbv zonne-energie

Re: Maximale temperatuur mbv zonne-energie

Re: Maximale temperatuur mbv zonne-energie

Re: Maximale temperatuur mbv zonne-energie

Re: Maximale temperatuur mbv zonne-energie

Re: Maximale temperatuur mbv zonne-energie

Re: Maximale temperatuur mbv zonne-energie

Re: Maximale temperatuur mbv zonne-energie

Re: Maximale temperatuur mbv zonne-energie

Re: Maximale temperatuur mbv zonne-energie

Re: Maximale temperatuur mbv zonne-energie

Re: Maximale temperatuur mbv zonne-energie

Re: Maximale temperatuur mbv zonne-energie

Re: Maximale temperatuur mbv zonne-energie

Re: Maximale temperatuur mbv zonne-energie