passieve warmte diode

[Naessens]

Kan een passieve warmte diode gebouwd worden met de volgende opstelling?
 
Neem een kubusvormige doos die goed thermisch geïsoleerd is.
Plaats een parabool in de doos, die goed infrarood reflecteert. 
Zorg ervoor dat het brandpunt precies in een gaatje in de doos valt.
Het lijkt erop dat er dan meer straling naar buiten gaat, dan er naar binnen kan komen.
De temperatuur zou dan dalen, met een (zeer) klein verschil met de buiten lucht.
Misschien dat er met een heel nauwkeurige meting een verschil te meten is.
 

[Michel Uphoff]

Het lijkt erop dat er dan meer straling naar buiten gaat, dan er naar binnen kan komen.

 
Vrijwel perfecte isolatie (op dat ene gaatje na) aangenomen, is dat correct maar alleen zolang het binnen in de doos warmer is dan buiten.
Op het moment dat het buiten warmer zou zijn dan binnen treedt de warmtestraling van buiten door het gaatje de doos binnen en warmt deze inwendig op totdat er temperatuurevenwicht is.

[Benm]

De isolatie hoeft niet eens perfect te zijn: er gaat evenveel IR dat gaat je in dan eruit komt bij gelijke temperatuur, ook al zijn de wanden van de doos perfecte isolatoren. Door je paraboolconstructie kan het uitgaande ir licht wel gebundeld zijn, maar ir licht kan wel via alle mogelijke hoeken dat gaatje binnentreden, en wordt dan ergens in de doos geabsorbeerd. 

[Naessens]

Het idee is dat van alle punten in de doos, straling uit gaat in alle richtingen.
Dus er zijn punten van de doos die straling uitzenden in de richting van de parabool.
Die stralen worden gebundeld naar buiten gestuurd en komen niet meer terug.
Dat is dus extra boven op de normale straling die naar buiten gaat.

[Benm]

Maar wat met de straling die naar binnen gaat bij gelijke temperatuur met de omgeving? 

[Naessens]

Bij gelijke temperatuur binnen en buiten is het logisch dat evenveel straling naar binnen gaat als dat er naar buiten gaat.
Echter, de straling die de parabool naar buiten zendt, komt niet terug omdat die in de omgeving opgenomen wordt, zonder dat dat een temperatuur verhoging geeft.
Hopelijk is er eens iemand die het wil proberen.

[CoenCo]

Bij gelijke temperatuur binnen en buiten is het logisch dat evenveel straling naar binnen gaat als dat er naar buiten gaat.
Echter, de straling die de parabool naar buiten zendt, komt niet terug omdat die in de omgeving opgenomen wordt, zonder dat dat een temperatuur verhoging geeft.
Hopelijk is er eens iemand die het wil proberen.

Dus de doos zal dezelfde temperatuur aannemen als de omgeving.
Dan is het effectief gezien toch geen diode, maar gewoon een doos, met een (matige?) isolatie.

[Benm]

Uiteraard, als de doos van binnen zou koelen tot onder de omgevingstemperatuur schendt dat de thermodynamica: het ontstane temperatuurverschil is een potentiele energiebron die uit het niets ontstaat.
 
Die paraboolspiegel, of wat voor systeem van lenzen en dergelijke dan ook maakt geen verschil: Je kunt de thermische straling vanuit de doos er niet echt mee bundelen, en thermische straling kan nog steeds via alle kanten door dat gaatje naar binnen. Gevolg is dat het ergens in de doos geabsorbeerd zal worden (dus omgezet in warmte) waardoor het allemaal op gelijke temperatuur blijft. 
 
Optische systemen (ook voor het IR) zijn symmetrisch, wat de ene kant op een verschil maakt doet dat net zo goed de andere kant op. 

[Michel Uphoff]

Hopelijk is er eens iemand die het wil proberen.

 

Je bent nog niet overtuigd vermoed ik. Laten we er eens op een wat andere manier naar kijken:

 

Jouw doos met parabool heeft een gaatje dat naar een tweede doos leidt. Of we nemen een lange doos met een tussenwand waarin een gaatje zit, aan de ene zijde de paraboolspiegel en de andere zijde leegte. ​Het geheel is zo goed geïsoleerd als mogelijk is. Zou het nu zo kunnen zijn dat er door de bundeling meer straling van de paraboolzijde naar de lege zijde gaat dan andersom? Dat zou betekenen dat in deze opstelling de zijde met de parabool afkoelt afkoelt en de lege zijde opwarmt.

 

Dat dat in tegenspraak is met de tweede wet van de thermodynamica (KLIK) moge duidelijk zijn, maar je bent niet de eerste die zo'n gedachte heeft. Al in 1876 beschreef Maxwell zijn 'demon' die op dezelfde wijze werkt. Bij hem ging het om gasdeeltjes maar dat maakt niet uit, fotonen zijn ook deeltjes. 

 

Wikipedia (KLIK) vermeldt hierover:

 

Het is dus niet mogelijk dat twee lichamen met een gelijke temperatuur in thermisch contact met elkaar, en samen een gesloten systeem vormend, evolueren naar een staat waar het ene lichaam een hogere temperatuur heeft dan het andere.

 

In dat artikel kan je ook lezen dat het experiment lastig te realiseren is, en dat er wel degelijk veel discussie over geweest is en er een aantal proeven gedaan zijn. Onder meer in DIT artikel lees je er wat meer over.

 

Bottom line is, dat de tweede wet van de thermodynamica nog nooit door enig experiment geschonden is.

[Naessens]

Inderdaad ik ben nog steeds niet overtuigd. Het voorbeeld dat Michel Uphoff geeft met de doos en het gaatje, komt mij goed van pas.
 
Een toelichting :
In een zolderkamer met dakraam dat kan afgedekt worden, of in mijn geval een schoorsteen die niet meer gebruikt wordt, kan het volkomen donker gemaakt worden. Neem nu een regenpijp en plaatst die verticaal tegen het dakraam, waarbij alleen door de pijp licht kan vallen. Met de schoorsteen pijp was dat al het geval.
Op de vloer is nu een verlichte vlek. Onder de pijp plaats men een doos die binnen en buiten wit is.
De witte vlek is nu op de doos. 
Maak een gaatje in de doos in het midden van de lichtvlek.
Neem een lens en focusseer het licht zodanig dat het alleen door het gaatje valt.
Nu wordt het in de ruimte donker en in de doos Licht!
Warmtestraling gedraagt zich op dezelfde wijze.

[Benm]

Maar dat is geen gesloten systeem: dat licht komt van buiten (de zon neem ik aan) en wordt ergens in de kamer en/of doos omgezet in warmte.

[Naessens]

Een doos die lekt, is geen gesloten systeem.
 
Bij het licht experiment geleidt de buis evenwijdige (in theorie) stralen, die in de doos terecht komen.
Dat is het omgekeerde, maar in principe het zelfde als de warmte straling die naar buiten gestuurd wordt.
De parabool stuurt evenwijdige stralen naar buiten, wat de buis doet in omgekeerde richting.
Het experiment zou ook met omgevings licht kunnen, maar dan is het niet zo zichtbaar.
Ook dan wordt het in de doos licht, terwijl het zonder de lens donker zou blijven.

[Benm]

Het experiment kent diverse vormen, je kunt bijvoorbeeld een heel donker zwart oppervlak maken door een gaatje in doos te maken. Dat werkt zo goed dat zelfs een laserstraal compleet lijkt te verdwijnen als je erop schijnt, mits je die doos van binnen zwart verft. Dat is aanzienlijk beter dan de zwartste verf die er bestaat, maar het blijft een open systeem: het licht dat er in gaat wordt ergens omgezet in warmte. 
 
Dit zijn overigens van die dingen die een beetje tegen de intuitie in werken. Je hebt bijvoorbeeld ook opstellingen met een 1-richtings spiegel, althans, zo lijkt het. Die werken puur door dat het gedeelde wat bekeken wordt verlicht wordt terwijl het gedeelte waar de kijker zit juist donker is. Zoiets kun je bijvoorbeeld aantreffen in een gevangenis waarbij de cipiers aan de donkere kant zitten en zo ongezien zicht kunnen houden op de rest, maar ook in domweg een supermarkt waarbij de manager wel de winkel in kan kijken, maar andersom nauwelijks te doen is.
 
Schakel je alle verlichting uit dan is het niet zo dat het aan de ene kant van die spiegel warmer wordt dan aan de andere. 

[HansH]

als dit idee zou werken dan kun je daarmee een perpetuum mobile maken want dan zou er een temperatuurverschil blijven bestaan tussen de buitenlucht en de temperatuur in de doos en dat zou je bv met een peltier element kunnen omzetten in elektriciteit. dus daarom alleen als zou het niet kunnen  

[Naessens]

Dat is overduidelijk!