Thermodynamique, optique et mouvement perpétuel

Il est en effet impossible de créer ou de détruire de l’énergie, en vertu d’un des principes de la thermodynamique. On peut néanmoins concentrer de l’énergie lumineuse par unité de surface, c’est le cas d’une loupe, ou plus précisément une lentille convergente.

L’intérêt du sujet est augmenté si l’on réalise soi-même une expérience scientifique.

J’ai une lentille convergente d’un diamètre de 5 cm, sa distance focale est de 12 cm. On peut faire de la physique intéressante avec une loupe aussi simple.

Je m’étais déjà amusé à concentrer les rayons de lumière, c’est bien mieux avec les rayons du soleil, afin de recréer les flammes de l’Enfer. 😀

L’image de la source de lumière (soleil) se concentre en un disque de taille minimale exactement à l’emplacement du foyer de la lentille convergente. Ce diamètre minimal est d’environ 3 mm.

Avec ces données, j’essaie de calculer la température des rayons concentrés au foyer : avec ma loupe, en moyenne la température serait de l’ordre de 900 °C, et au mieux elle atteindrait un peu plus de 1200 °C maximum. En effet, d’après le calcul, il n’est guère possible de dépasser une température de 5800 K avec une lentille convergente, surtout d’après ce que montre ma loupe.

Maintenant, il ne reste plus qu’à recommencer l’expérience et à mesurer la température du foyer à l’aide d’un thermomètre électronique à visée laser afin de tenter une comparaison avec le calcul. Mais le temps est nuageux en ce moment où j’écris, il va falloir patienter…

En faisant une expérience de pensée, je me suis demandé ce qui se passerait si on concentrait tout le rayonnement cosmologique fossile (CMBR) en un point de taille minimale. En supposant que ce point de convergence atteigne la température théorique du Big Bang (10^32 K) qui est une limite, mon calcul montre que le diamètre minimal du foyer serait de 4×10⁻³³ mètre, soit à peu près 247 fois la longueur de Planck. Résultat cohérent.

Puis à ce propos, les ondes radio et les micro-ondes ne sont pas concentrés par des lentilles en verre, ces dernières ne concentrent que les rayons du spectre visible. Pour les ondes radio, je pense aux métaux, qui peuvent réfléchir et dévier les ondes radio. A priori, on pourrait réaliser des matériaux métalliques semi-transparents (pour les ondes radio) et formés de couches de différents alliages métalliques afin de dévier les ondes radio de la même façon que dans une lentille qui converge la lumière visible. Je ne sais pas si cette idée a déjà été développée.

Quelques heures après la rédaction de cet article :

Le temps nuageux a laissé place à un temps ensoleillé peu après une chute de neige. J’ai pu réaliser une mesure de température : 145°C lorsque l’image du soleil est projetée selon un diamètre de 1,5 cm sur le capteur infrarouge du thermomètre. Remarque : l’expérience s’est réalisé à travers une vitre située à une distance de quelques mètres. Je présume que la vitre filtre un peu le rayonnement du soleil, parce que la concentration maximale de la lumière avec ma loupe n’a pas pu permettre d’enflammer un morceau de papier. Cependant, le soleil est plus proche de l’horizon que de son altitude maximale lors du midi solaire, et l’expérience fut réalisé environ 90 minutes avant le coucher du soleil.

Les 145°C pour un diamètre concentré de 1,5 cm, cela correspond à une température de 935 K, soit environ 662°C, pour la concentration maximum des rayons solaires avec un diamètre focal de 3 mm. La lumière concentrée était remarquablement blanche et éblouissante.

© 2013 John Philip C. Manson

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