レンズで光を集めて・・・

質問

例えば太陽光を凸レンズで集光して、物を焼いたりする事ができますが、その焦点の温度は何度まで高くする事が可能でしょうか？

例えば、太陽光の表面温度が6000度とすると、それ以上の高温を発生させる事はできますか？

　理論的な限界はあるのでしょうか？　よろしくお願いいたします。

回答No.3

hitokotonusi · ベストアンサー

『焦点の温度』の意味によって答えは変わってきます。

焦点の位置での『光そのもの』の温度(※)であれば、光源の温度を越えることは基本的にはできません。

焦点の位置で光に照射された『物体』の温度であれば・・・申しわけありませんが、わかりません。

後者の場合、完全に断熱して受けた光のエネルギーをすべて熱に変えてしまえばいくらでも温度があがりそうですが、温度があがると今度はその物体自身が光を輻射してエネルギーを失うことになりますので、太陽光からもらうエネルギーの増分と輻射によるエネルギーの損失がバランスする所で温度は決まるのではないかと思います。それが何度になるか・・・・わかりません。直感的には光源の温度は越えないような気がします。が、現実的には、光を通過させ6000度に耐える容器が果たしてあるのか、本当に断熱出来るのか、という問題があって6000度まで上げるのは無理ではないかと思います。

※ 『光そのもの』の温度
太陽の温度が六千度とかシリウスの温度が一万度とかという温度がどうやって決まっているかというと、そこから来る光のエネルギー分布(エネルギー＝定数×振動数＝定数×(1/波長)という関係があるので、振動数分布、または、波長分布で表現される)によって算出します。有限温度の物体(厳密には黒体)からは常に(広い意味の)光が放射されており、そのエネルギー分布は物質の種類によらずプランク分布の式に従います。この式に含まれているのは、温度と波長(振動数)以外はすべて物理定数ですので、温度を決めると波長(振動数)分布が決まってしまいます。そこで、光源から放射される光のスペクトル分析(振動数分析)を行い、測定されたスペクトルとプランクの式が一致するように温度は決められます。

したがって、『光の温度』というのはあまり正確な表現ではなく、『光源の温度』というほうが本来は適切です。しかし、光のエネルギー分布を『光の温度』とする用法は、『色温度』として使われています。『色温度』は光源の温度とは無関係にエネルギー分布で決まりますので、フィルターを使ってエネルギー分布を変えてしまえば、色温度を変更することが可能です。上で、『基本的にはできません』と書いたのはこれを意識したためで、大気の状態によって、あるいは、フィルターを使うことで『色温度』はかわります。

参考URL：

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%BB%92%E4%BD%93%E6%94%BE%E5%B0%84

回答No.7

foobar

余談
焦点の温度が太陽の表面温度まで、というのは理想的な光学系で集光したときのように、「可逆な器具(損失の無い器具)で集光したとき」ですね。
可逆でないものを使えば、もっと温度は上げられます。
(例えば、大面積の太陽電池で光を一旦電力に変換して、これで粒子加速器を駆動したりすれば、6000Kより高い温度にすることは可能です。)

回答No.6

walkingdic

正しい解答も出ているようなのですが、そうではないのも多いので、正解を述べますのと「太陽温度まで」です。

理由は熱力学第二法則の概念で説明ができるのですが、まあ単純に言えば、太陽からの輻射で得られるエネルギーと過熱されている物体から出る輻射エネルギーが等しくなるのでそれ以上にはできないというのが簡単な答えです。

この話は、たとえば６０度までしか温度の上がらない加熱器具で８０度のお湯が作れるか？という話と同じことなのです。熱量は関係なく、どうやっても６０度までのお湯しか作れないのです。
この現象を説明するために熱力学ではエントロピーという概念を使って説明しています。

まあ第二法則は証明されている法則ではないのですが、今のところはこの法則が正しいと考えられています。

レンズの能力とかそういうものは一切関係ありません。理想的なレンズでもだめです。

ちなみにヒートポンプのような形でエントロピーを制御すればもちろん幾らでも理論的には高い温度を作れます。

では。

回答No.5

moby_dick

レンズでなく、放物面鏡ですが、実用化されていて、太陽炉と呼ばれます。

大辞林に次の説明があります。
「太陽炉：
太陽光を放物面鏡で集光し、容易に摂氏三〇〇〇～四〇〇〇度の高温を得る装置。」

限界ですが、どれだけピンポイントに集中させるかです。
実用性は別としてすれば、6000度を超えることも可能と思います。

回答No.4

foobar

太陽光を集光したときの焦点に置いた物体の温度は、6000度が上限になります。
一見、集光点を小さくすればいくらでも温度があがるように思えますが、残念ながら太陽の光を集光した場合には、集光点の大きさには下限があります。
（太陽が見かけの大きさをもっているため、太陽光が完全な平行光線になっていなくて、理想的な光学系でも一点に集光することができない）
で、理想的な光学系を使って、最小の大きさまで集光したときに、光のエネルギーが６０００K相当になって、物体への入熱と輻射での損失がバランスする温度（到達温度）が太陽表面の６０００Kと一致すると。

（集光点の温度上限の説明方法には、理想的な光学系ではエントロピーが変わらない、ということを使って、周辺を６０００Kの壁で覆って、熱的平衡に達したら、、という説明の仕方もあるようです。）

回答No.2

quantum2000

物理は専門ではありませんが・・・

Ｎｏ．１さんの回答で概ね良いと思うのですが、
ご質問の中にある「太陽光の表面温度が６０００度」という表現は、
「太陽表面の物質の温度が６０００度」ということではないでしょうか？

太陽から放出されたばかりの「光の温度が６０００度」
とかいうことではないと思うのですが・・・。
「光の温度」って？

つまり、光の持つエネルギーはその振動数だけで決まり、
実際に、光によって物体が受け取るエネルギーは、
光の振動数以外に光の量や角度、受け取る面積
などによって決まってくるのではないでしょうか？

ですから、地上で太陽光の当たる焦点の温度（の限界）は、
「太陽表面温度の６０００度」とは直接は関係がない
のではないかと思います。
（たぶんもっと「低い」のではないでしょうか？　分かりませんが。）

お礼

お返事ありがとうございます。
大変参考になりました。またよろしくお願いいたします。

回答No.1

oct002

まず、地球に降り注ぐ太陽光は場所・地点によって強さが異なります。
赤道で最大となり、北極や南極が最小となります。
なので同じ大きさの集光レンズでより多くの熱を出したい場合は、赤道直下が最も適しているといえます。
また、集光レンズの大きさが大きければ大きいほど集光量が増え、発生する熱量も多くなります。
発生熱量の要因としてもう1つは、時間です。
赤道直下で巨大な集光レンズを日照時間ぎりぎり設置した場合・・・さぁ、何度までなるでしょうか。
理屈で言えば6000度を超えることも可能です。
集光点が小さいほど熱は高くなります。
単純計算で、Ｘm2で集めた光をＹm2へ集光したとします。
Ｘが大きければ大きいほど、Ｙが小さければ小さいほど発熱効果が高くなります。
赤道直下の太陽光が何度くらいになるのかわかりませんので、ちょっと算出できません。

お礼

お返事ありがとうございます。
大変参考になりました。またよろしくお願いいたします。