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浅析“阳光照射能产生的最高温度是多少”

已有 10488 次阅读 2010-9-14 08:00 |个人分类:诗词|系统分类:科普集锦| 阳光, 热传导, 温度, 对流, 照射

阳光照射能产生的最高温度是多少?”这是李铭老师在其博文【1】中提出的问题,下手很快Mirror大师评论了【2】,指出了些问题单没直接给答案,也有张骥博友也评论了。俺看到这个问题,也挺感兴趣的,今天没别的博文题目好写(最热门的话题太火,博文已经很多了,多我一篇也增加不了多少热度,不写也罢),就来说说这个问题,毕竟不能忘了物理这个本行呀!
以下是原文转载李铭老师的问题:
“我们都知道,把太阳光聚焦,能点燃纸张,温度可达二、三百度。但是,这不应该是阳光能达到的最高温度。谁能说说,这个最高温度是多少,有什么办法可以接近这个最高温度。”
分析如下:
第一句话,说的是可以通过聚焦把纸张点燃,即把纸张的表面加热到其在空气中的着火点,这个实验许多人都做过,调皮的孩子可能还用凸透镜烧过蚂蚁啥的小虫子(有点残忍,请勿模仿)。在空气中纸是到了温度、吸收的能量也满足点火条件就会被点燃,不会进一步升温的,所以纸张不是一个好的试验样品。其实精确地测量一下这个温度也并非难事,在透镜焦点放一个热电阻或热电偶的测温头接上仪表观察一下温度数据就行,当然,同样要注意这个温度不能超出测温元件正常的工作温度范围。
第二句话,直接断定200~300度(我理解应该是摄氏度)不是阳光(聚焦)能达到的最高温度。这没啥说的,补上几个字应该不会有异议或歧义。
第三句话,提出了有点儿“挑战性”的问题,前半部分是理论,后半部分是技术,稍微一个不慎就可能落入陷阱或沟壑,这才是我要重点作答的。
先说理论上的。太阳光通过凸透镜或者凹面镜聚焦,在焦点附近可以达到非常高的能流密度,焦斑越小则能流密度越大,相对于给被照射物体表面单位面积提供的加热功率越大。如果物体表面能够吸收聚焦过来的阳光能量,则其表面温度会迅速上升。问题的关键是上升的“最高温度是多少?”其实,但凡要出现极大值或者极小值,都要存在至少两种具有相反变化趋势的因素,二者达成平衡时会才出现极值。在这个“阳光照射”问题中,导致物体温度上升的因素是阳光辐射能量(热量)的不断吸收和蓄积,导致物体温度不会进一步上升的因素是被照射区能量(热量)的流失。
流失的途径有3个:(1)热传导,即物体表面被加热温度升高时,热量会从表面向其内部传导;(2)热对流,表面附近有气体流过会带有部分热量;(3)热辐射,表面会向周围空间以热辐射的方式散发能量。这三个途径无一例外地都是随着表面温度的升高而不断加强的,前两者大致和温度差成线性关系,而热辐射则正比于热力学温度的四次方(在高温时表现最为抢眼),因此温度升高意味着散热会更多,所以温度升高到某个值时就会达到吸收热量和散发热量的平衡点,此时出现最高温度。具体这个温度是多少,如果给定了表面吸收率(黑度)、表面形状、热导率、气流参数(密度、比热、粘度、风速等)、透镜直径、透镜表面反射率和吸收率和焦斑大小等必要的参数和边界条件及初始条件后,可以从理论上去计算。看这一大堆计算挺麻烦的,“最高温度”的不可逾越的理论上限是多少其实很好回答,就是太阳的表面温度,请各位记住,无论如何也绝对不会超这个值。因为即使没有其他形式的传热,只剩下辐射这一种机制,按照黑体吸收来考虑,最理想的情况也就是阳光吸收体最后和太阳表面达到热平衡(其实根本做不到,能达到的最高温度比太阳表面低得多)。
如何能达到“最高温度”,是个技术问题,按照前面的“理论分析”,我们知道,最大限度地减小散热和提高能流密度是关键。背光面用绝热材料(热导率极低,但其实再低也不会为0)进行包裹,为了避免对流散热抽真空灯都是可以使用的手段。当然为了提高能流密度,让光线会聚形成的光斑面积要尽可能地小(不过再小也不会是真正的几何点)。
以上是本人对此问题作出的一点浅析,欢迎博友和读者们讨论。
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
参考:
【1】       李铭:阳光照射能产生的最高温度是多少?
【2】       李维:老师总是好问,镜某都不好意思答了
本文贴上去以后,引起了一些反响:
 


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