Hallo!
Folgendes Problem: Wenn ich eine Glaskugel herstelle, die von innen komplett mit der reflektierenden Spiegelschicht einer Spiegel-Sonnenbrille beschichtet ist (so das die Spiegelseite nach innen gerichtet ist!), was passiert dann mit dem einfallenden Licht? Wird es in der Kugel gehalten? Wird sich die Kugel erwärmen?
Bitte simpel erklären - bin kein Physiker!
Danke!
Strahlungsgleichgewicht
Hallo,
die Kugel wird jedenfalls nicht beliebig ``voll’’ werden können, denn die Spiegelschicht ist zu einem nicht-verschwindenden Bruchteil auch umgekehrt durchlässig. Auf die Dauer wird
sich ein Strahlungsgleichgewicht zwischen
Innenraum und Außenraum, von dem ja das gelieferte Licht kommen muß, einstellen.
In etwa zu vergleichen mit Osmose durch eine semi-permeable Membran, wo es eine maximal mögliche Differenz der Konzentrationen auf beiden Seiten gibt, die von der Membran eben noch aufrechtgehalten werden kann.
Ob das Äquivalent zur Konzentration hier bei
Strahlung die Strahlungsdichte ist o.dgl.,
weiß ich allerdings nicht. Da müßte noch ein Spezialist her, der sich mit den Kirchhoffschen Strahlungsgesetzen auskennt.
Gruß
Stefan
Hey Stefan,
die Kugel wird jedenfalls nicht beliebig
``voll’’ werden können, denn die
Spiegelschicht ist zu einem
nicht-verschwindenden Bruchteil auch
umgekehrt durchlässig.
Das man damit kein Licht fangen kann, meinte ich eigentlich auch gar nicht. Vielmehr interessiert mich, ob das Licht die Kugel wohl erwärmen würde oder nicht?
Wenn man ein Solarzellenmodul, ein Kolben mit Flüssigkeit o.ä. in der Mitte der Kugel anbringen würde, könnte dies die Wärme/das Licht/ die Energie wohl besser umwandeln als ein Hohlspiegel, der das Licht ja auch auf einen bestimmten Punkt konzentriert…???
Hallo, Stefan; hier einige meiner Überlegungen zum Thema:
die Kugel wird jedenfalls nicht beliebig
``voll’’ werden können, denn die
Spiegelschicht ist zu einem
nicht-verschwindenden Bruchteil auch
umgekehrt durchlässig.
Allerdings: Bei einer Reflexion an einer Spiegelschicht - egal aus welchem Material der Spiegel ist, geht immer ein gewisser Prozentsatz durch. Man kann das bei einer normalen Fensterscheibe sehr gut sehen: so an die 90% des Lichts gehen durch die Scheibe und 10% werden reflektiert. Weil das so wenig ist, sehen wir das aber nur, wenns draussen dunkel ist(und das Licht von außen die Reflexion nicht „überlagert“).
Totale (100%ige) Reflexion gibt es aber auch: die Totalreflexion(…), die als Nebenerscheinung der Brechng auftritt.
Gelänge es, die Kugel so zu bauen, daß die die Totalreflexion nutzt, so wäre das Licht wirklich darin gefangen und wenn durch das Loch irgendwo immer neues Licht einströmt, so wird sich die Kugel so lange „füllen“, bis der Strahlungsdruck zu groß wird und die Kugel platzt(theoretisch und im Idealfall).
Übrigens, falls es dich interessiert: Etwas ähnliches habe ich irgendwo in einem Buch gelesen, weiß aber nicht mehr in welchem: da geht es ebenfalls darum, eine Kugel mit totalreflektierender Innenschicht zu bauen; in der Mitte wird nun ein mikroskopisch kleines Schwarzes Loch plaziert.
Dann leuchte ich KURZ mit einer Taschenlampe(!) in das Loch der Kugel und verschließe es mit einem Korken(…)
Immer wenn das Licht so reflektiert wird, daß es nahe der Kugelmitte am Schwazen Loch vorbeikommt, so wird es durch die enorme Gravitationskraft BESCHLEUNIGT(für Licht heißt das aber: es wird energiereicher).
Also: ein Teil des Lichts wird im SL verschwinden; einanderer Teil wieder austreten, bevor ich den Korken in das Loch stecke(sobald er drauf ist, reflektiert auch er …); auch hier wird die Energie der Lichtstrahlung irgendwann so groß, daß die Kugel explodiert; Die Energiezunahme geht dabei so schnell, daß das Licht vor einem letzten Durchgang noch nicht genug Energie hat, um die Kugel zu zerreißen, danach aber schon genug, um bei der Explosion die Erde zu vaporisieren(ein SL kann VIEL Energie abgeben…)
Wie gesagt…reine Theorie…
Mit freundlichen Grüßen, Joachim
Ein Perpetuum Mobile?
Hallo Joachim,
Totale (100%ige) Reflexion gibt es aber
auch: die Totalreflexion(…), die als
Nebenerscheinung der Brechng auftritt.
Gelänge es, die Kugel so zu bauen, daß
die die Totalreflexion nutzt, so wäre das
Licht wirklich darin gefangen und wenn
durch das Loch irgendwo immer neues Licht
einströmt, so wird sich die Kugel so
lange „füllen“, bis der Strahlungsdruck
zu groß wird und die Kugel
platzt(theoretisch und im Idealfall).
Immer wenn das Licht so reflektiert wird,
daß es nahe der Kugelmitte am Schwazen
Loch vorbeikommt, so wird es durch die
enorme Gravitationskraft BESCHLEUNIGT(für
Licht heißt das aber: es wird
energiereicher).
Das stimmt, solange sich das Licht auf das SL zubewegt. Wenn das Licht das SL passiert hat und sich vom SL wegbewegt, wird seine Energie um den gleichen betrag wieder verringert, den es vorher gewonnen hat. Damit kann die Energie nicht zunehmen.
Also: ein Teil des Lichts wird im SL
verschwinden;
Binnen Kurzem wird das GESAMTE Licht im SL verschwunden sein, den ein SL gibt nicht mehr her, was es verschluckt hat (wenn man von gewissen Verdampfungseffekten durch Quantenfluktuation absieht).
einanderer Teil wieder
austreten, bevor ich den Korken in das
Loch stecke(sobald er drauf ist,
reflektiert auch er …); auch hier wird
die Energie der Lichtstrahlung irgendwann
so groß, daß die Kugel explodiert; Die
Energiezunahme geht dabei so schnell, daß
das Licht vor einem letzten Durchgang
noch nicht genug Energie hat, um die
Kugel zu zerreißen, danach aber schon
genug, um bei der Explosion die Erde zu
vaporisieren(ein SL kann VIEL Energie
abgeben…)
Wie gesagt: ein SL gibt gar nischt mehr her!
Wie gesagt…reine Theorie…
so isses!
Gruss, Niels
Entweder die Kugel hat einen „vollkommenen Spiegel“ Transmission = 0 (dann kommt auch keine Strahlung hinein. Ich kenne kein Material, welches in einer Richtung Transmission = 0, in der anderen Transmission > 0 hat), oder sie hat einen nicht vollkommenen Spiegel Transmission > 0.
Beim vollkommenen Spiegel wird sie sich innen nicht erwärmen, weil keine Stahlung hineinkommt. Beim nicht vollkommenen Spiegel wird sich ein Strahlungsgleichgewicht der einfallenden und der austretenden Strahlung einstellen, wie bei einem grauen Körper.
also wird sie sich erwärmen, aber in dem Maße, wie es einem konventionellen grauen Körper zusteht.
Eine bessere Erwärmung als z.B. bei Solarkollektoren wird sich solcherart m.E. nicht realisieren lassen.
Gruß
Harald
[Bei dieser Antwort wurde das Vollzitat nachträglich automatisiert entfernt]
Hi,
es ist eigentlich unnötig sich Gedanken über die Mechanismen zu machen, mit denen das Licht in der Kugel „gefangen“ wird.
Wenn Die Kugel schlicht aus irgendeinem schwarzen Material wäre, würde offenbar das gesamte eingestrahlte Licht in Wärme umgewandelt.
Wenn durch irgendwelche Spiegelmechanismen das Licht „erhalten“ bleibt, wird offenbar nicht alles in Wärme umgewandelt, die Kugel bleibt also kühler als im ersten Fall.
Max
[Bei dieser Antwort wurde das Vollzitat nachträglich automatisiert entfernt]
Hallo, Niels;
Du hast natürlich recht, ein Schwarzes Loch kann eigentlich keine Energie abgeben; ich habe vergessen zu erwähnen, daß das SL rotieren muß; da SL bis zu 20% ihrer Masse in Form von Rotationsenergie speichern können(theoretisch), kann ich die Energie auch wieder abnehmen(dabei wird nur die Rotation langsamer);
Wenn sich so ein enorm massereiches Objekt wie ein SL dreht(dabei kommt es nicht so sehr auf die „absolute“ Masse an, als auf die Verteilung; bei einem SL ist sie sehr dicht!), dann erzeugt es eine Raumkrümmung(wie jede Masse), die sich mitdreht; Es entsteht eine Art „Raumzeitstrudel“, der sich in die Rotationsrichtung des SL dreht. Wenn dieser Richtung nun zB im Uhrzeigersinn ist, dann könnte ein Photon das richtig einfällt(von rechts oben?) Energie aufnehmen und muß sie beim Wegfliegen nicht wieder abgeben, da das in Rotationsrichtung(oder eben tangential dazu) geschieht. Die Energie fehlt dem SL dann(wie schon gesagt: es rotiert langsamer).
Vergleiche das einfach mit einem Kinderkarussell: ein Karussell dreht sich mit einer gewissen Winkelgeschwindigkeit. Wenn ich von der Seite aufspringe und mich zB eine halbe Umdrehung mitbewege und dann abspringe, so habe ich dem Karussell etwas Energie abgekupfert und fliege mit Schwung herunter. Das Karussell dreht sich dafür etwas langsamer.
Es gibt auch Überlegungen diese Drehung für einen Dynamo zu nutzen, aber das SL muß dann auch eine Ladung haben(das ist möglich, da Ladungen erhalten bleiben, auch wenn sie in ein SL fallen). Würde ich um das SL riesige Stotorspulen bauen, so könnte man die Rotationsenergie in elektrische umwandeln.
Gruß, Joachim
Danke für die Antworten!
Vielen Dank für Eure Antworten!
Denke, dass ich begriffen habe, dass meine Kugel keinen wirklichen Sinn macht - aber hat vielleicht jemand irgendeinen Tip w o und w e r so was fertigen könnte? Da mich die Idee schon seit Jahren verfolgt, hätte ich sie gerne mal „in der Hand“…
Hallo Max,
Wenn auch nur ein winziger Bruchteil des Lichtes nicht reflektiert wird, wird die verspiegelte Kugel genauso warm wie eine schwarze! Lediglich die Helligkeit in der Kugel wird groesser.
Niels
Hallo Stephan,
verspiegelte Glaskugeln kannst Du derzeit ueberall kaufen. Die haben eine Oese dran und viele Leute haengen sich sowas an einen Nadelbaum…
Niels
Hi Joachim,
Es wird hier teilweise argumentiert, dass eine von aussen „durchsichtige“ und von innen „totalreflektierende“ Kugel denkbar ist, und sich dadurch das Licht im Inneren ad infinitum sammelt.
Das ist thermodynamisch aber nicht denkbar, es verletzt den 2. Hauptsatz. Das Licht im Inneren der Kugel entspricht einer Temperatur (Verteilung nach dem Planckschen Strahlungsgesetz). Der 2te Hauptsatz sagt, dass Waerme (z.B. Waermestrahlung von Ausserhalb der Kugel) in Richtung niedriger Temperatur fliesst. In dem Modell fliesst aber die Waerme immer IN die Kugel HINEIN, egal welche Temperaturen innen und aussen vorhanden sind.
Moeglicher Effekt waere die Erwaermung der Spiegelschicht, die deshalb Waermestrahlung nach aussen sendet.
Was passiert jetzt, wenn du ein kleines Loch reinmachst? Es wird sich ein Temperaturgleichgewicht einstellen mit der Umgebung, d.h. Zimmertemperatur, oder Sonnentemperatur - wenn du das Loch in die Sonne haeltst. Temperaturgleichgewicht heisst, dass pro Zeit genausoviel Strahlungsenergie reinfliesst wie raus. Damit ist die Idee eines „Kugelkraftwerks“ im Sinne eines Perpetuum Mobile 2ter Art gestorben. Denkbar waere, die Kugel zu kuehlen und mit dem erhitzten Wasser eine Turbine zu betreiben…
Selbst wenn du jetzt mit einem starken Laser reinschiesst, wird irgendwann ein Gleichgewicht erreicht sein, und effektiv die Energie in der Kugel nicht mehr zunehmen. Ob dieser Strahlungsdruck ausreicht, um die Kugel zum platzen zu bringen, muss man am konkreten Fall berechnen.
Totale (100%ige) Reflexion gibt es aber
auch: die Totalreflexion(…), die als
Nebenerscheinung der Brechng auftritt.
Gelänge es, die Kugel so zu bauen, daß
die die Totalreflexion nutzt, so wäre das
Licht wirklich darin gefangen und wenn
durch das Loch irgendwo immer neues Licht
einströmt, so wird sich die Kugel so
lange „füllen“, bis der Strahlungsdruck
zu groß wird und die Kugel
platzt(theoretisch und im Idealfall).
Das Licht im Inneren der Kugel entspricht
einer Temperatur (Verteilung nach dem
Planckschen Strahlungsgesetz). Der 2te
Hauptsatz sagt, dass Waerme (z.B.
Waermestrahlung von Ausserhalb der Kugel)
in Richtung niedriger Temperatur fliesst.
In dem Modell fliesst aber die Waerme
immer IN die Kugel HINEIN, egal welche
Temperaturen innen und aussen vorhanden
sind.
Moeglicher Effekt waere die Erwaermung
der Spiegelschicht, die deshalb
Waermestrahlung nach aussen sendet.
Jaaaaaaaaaaaaaaaa, aber:
Es handelt sich um eine Totalreflexion. So, wie ich das verstehe, bedeutet das, es wird wirklich ALLES reflektiert und keine Energie vergeudet um die kinetische Energie der „totalreflektierenden Teilchen“ zu erhöhen; das bedeutet: keine Energiezunahme und keine daraus resultierende Erwärmung, leider.
(Wenn man es ideal betrachtet…)
Also. Überzeugt mich vom Gegenteil.
Vielen, vielen Dank! Ich wußte, dass ich mich auf Dich verlassen kann… 
[Bei dieser Antwort wurde das Vollzitat nachträglich automatisiert entfernt]
Danke,
Moeglicher Effekt waere die Erwaermung
der Spiegelschicht, die deshalb
Waermestrahlung nach aussen sendet.Jaaaaaaaaaaaaaaaa, aber:
Es handelt sich um eine Totalreflexion.
So, wie ich das verstehe, bedeutet das,
es wird wirklich ALLES reflektiert und
keine Energie vergeudet um die kinetische
Energie der „totalreflektierenden
Teilchen“ zu erhöhen; das bedeutet: keine
Energiezunahme und keine daraus
resultierende Erwärmung, leider.
Du hast natuerlich voellig recht, bei Totalreflexion kann sich die Spiegelschicht nicht erwaermen (haette ich merken muessen).
(Wenn man es ideal betrachtet…)
Also. Überzeugt mich vom Gegenteil.
Weitere Gedanken:
Eine Kugel mit Loch ist also nach dem 2. Hauptsatz erst einmal denkbar, da ja Licht wieder rauskann -> thermisches Gleichgewicht.
Das uns aber nichts daran hindert, das Loch zuzumachen, haetten wir jetzt ein Objekt, das es nach dem 2ten HS nicht geben kann.
Das heisst, dass es bereits die Kugel MIT Loch nicht geben kann, dass also eine 100% reflektierende Substanz (egal wie geometrisch angeordnet), die von der anderen Seite NICHT ebenfalls 100% reflektierend ist, nicht einmal theoretisch denkbar ist, ohne sich in Widersprueche zu verwickeln.
Gruesse und Bobok
Semjon.
Das heisst, dass es bereits die Kugel MIT
Loch nicht geben kann, dass also eine
100% reflektierende Substanz (egal wie
geometrisch angeordnet), die von der
anderen Seite NICHT ebenfalls 100%
reflektierend ist, nicht einmal
theoretisch denkbar ist, ohne sich in
Widersprueche zu verwickeln.
…ja; klingt logisch, danke für den Hinweis. Dann machen wir die Substanz doch einfach auch von der anderen Seite 100%reflektierend.(…zufrieden?..)
Gruß, Joachim
PS: Wahnsinn. Hätte nicht gedacht, das man über Glaskugeln so lange diskutieren kann:smile: