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蜡烛光通过透镜聚焦后的温度能高于蜡烛本身燃烧温度?

已有 3115 次阅读 2015-1-13 00:40 |系统分类:科研笔记|关键词:光学,热力学,能源,辐射,黑体,色温

最近有人问我:蜡烛光通过透镜聚焦产生的温度会不会高于蜡烛本身燃烧的温度?

 

这个问题答简单了讲不清楚,真要答出专家级的水平,恐怕要动用长篇大论。估计这个网站的网友学术层次高,我尽量用通俗易懂的语言阐述之。

 

光和热本应具有天然的联盟关系,然而可悲的是传统热力学基本上将光学拒之于门外。

 

对单个光子而言,度量其温度是没有意义的,然而她携带了其发源地的温度信息。光源温度越高,波长越短,光子能量越高,反之亦然。此即黑体辐射理论中色温的物理意义。被光照射的物质,依其吸收能力导致相应的温升。仅当光子碰到爱她吸收她的物质时,以该物质为源或汇,度量其温度才有意义。反之,如果某物质不喜欢某种色温的光子,她要么被反射要么穿透抑或兼有,而物质温度不受影响,大有美女坐怀心不乱的定力。

 

在光程的非真空路径的不同点,虽具备度量温度的基本意义,但其值仅反映途经地的"粉丝"物质对该光子的喜好度以及光子的通量密度,而不一定要显示出光子发源地的温度值。例如,地面气温20度,并不代表日光的本源色温就是20度。仅在有光子通量压缩能力的、聚焦透镜类无源被动式装置的作用下,才可能让光子的潜在本源色温露出原形。

 

例如用普通放大镜聚焦太阳光,就能点燃焦点处的纸片,显然焦点处的温度较聚焦前大大地接近了日光的本源色温。仅当透镜非常完美地将平行日光聚焦到真正的无体积的焦点,也许才能还原日光的本色温度5千多度,然而这种理想情况至今没有出现过,但据称已经能非常接近之。

 

通常背景气温下的远红外辐射光子,靠简单聚焦,难以经济地造出高能量密度的超过背景气温的高温源。不必恨铁不成钢,要是能轻易实现,经济实用型永动机早上市了。而且环境温度会逐步下降,因为那个神奇的透镜将环境辐射的光子抽走汇聚到焦点产生高于环境温度。当然光子本源色温并非无源光压缩汇聚后的造温极限,说其是简单经济型汇聚的造温极限也许更靠谱。

 

只有汇聚程度带来的光通量密度大于源发地的光通量密度后,才有可能在目的物质上造出高于本源色温的温度。昂贵的高汇聚性激光可以做到这一点。例如工业用金属切割二氧化碳激光器,波长10.6微米,其光子本源色温只相当于0摄氏度左右的黑体辐射,然而高强度汇聚后,作用于金属后可达到上千度的切割温度。

 

热力学第二定律在物理光学尚未认真地与热力学深入结合起来研究的前提下,冒失地断言热不可能自发地从低温源传导到高温源。而且其提出的年代也没赶上量子真空自由能的研究,故而,这个可怜的热力学第二定律如今受到广泛的挑战。

 

维2(拥护热力学第二定律)的支持者也许会反驳,说光路是可逆的。没错那是针对的一般光学系统。但是对高汇聚的激光系统,光路的可逆就难以成立了,因为光的粒子性在这种特殊的光路中发挥了单向阻塞作用。这种粒子性会导致光压的产生。就像一个很窄的通道只能容许单人侧身单向通过那样。其实,就算是一般的光学系统,光子的粒子性虽然远未达到单向阻塞的作用,但在光路中人为插入一个法拉第光隔离器,照样可保证光能量的单向传递。


可以理解的是:科学家也是人,人不可能万能。生命是有限的,同时在热物理学和光学上都成为顶尖专家,恐怕要耗尽毕生精力。学科的边缘融合总能为特定的工程应用打下理论基础和捷径。我顺便呼吁创生一门交叉学科:光子热力学。我已为此新学科的诞生,结合我的科研实验,奠基了大部分理论素材。

 

总之,前述问题的正确答案是:有可能,但代价较高。如仅想得到远低于蜡烛的焰芯温度一般透镜就可以。无论要看到啥温度,焦点处都必须放置吸收光谱的物质,吸收率越高越好,谱越宽越好,最好全谱通吃。




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