Sklenici vody s kostkami ledu. Kde ' je voda nejchladnější; nahoře nebo dole?

Zajímavá otázka!

Nejprve pár věcí:

Když se led roztaví, ochladí voda kolem něj.

Technicky se kostka ledu roztaví protože voda se ochladí. Zpočátku to může znít směšně, ale musíte vzít v úvahu skutečnost, že led taje protože , který čerpal „teplo“ (energii) ze svého okolí. „Okolím“ je vzduch a voda, které jej obklopují (ale voda je důležitější, protože je lepším vodičem tepelné energie).

Vzhledem k tomu, že studená voda je hustší než horká voda, předpokládal bych, že studená voda klesne ke dnu … ale bude se při klesání zahřívat a snižovat hustotu.

Máte pravdu, studená voda je hustší než horká voda. Je užitečné si uvědomit, že by neměla být příliš studená. Jakmile teplota vody klesne na 4 ° C, hustota vody se postupně zvyšuje. Jakmile však teplota klesne pod 4 ° C, hustota vody se ve skutečnosti začne snižovat a voda v tomto rozmezí se snadno „vznáší“ nad vodou v rozsahu pokojové teploty.

Led se mezitím stále taje a vydává chlad na okolní vodu.

Led nevydává pryč „studený“, spíše to trvá ve vodě „teplo“ (tepelná energie).

Zpět na vaši otázku.

Jak Max ve své odpovědi zmiňuje, odvedl jste obzvláště dobrou práci s uvedením toho, s jakými fyzickými parametry máme co do činění; opravdu důležitými jsou teplota ledu, teplota vody (v době, kdy vložte led) a množství použitého ledu (alespoň s ohledem na vodu).

Ale za předpokladu, že pijete vodu (původně při pokojové teplotě) z 250 ml polystyrenu nebo plastový kelímek a použili jste dvě kostky ledu (normální velikosti) a že jste vodu začali pít minutu poté, co jste se pustili do kostek ledu, voda by měla být chladnější nahoře než dole.

Zvažte minutové, imaginární vrstvy / oblasti / balíčky vody v šálku (přemýšlejte o tom ve smyslu balíčků s vodou „spíše než molekuly vody je srozumitelnější). Představte si také, že pohár má tři (hrubě ohraničené) oblasti: horní, střední a dolní.

Balíčky vody bezprostředně sousedící s kostkami ledu jsou v tepelné rovnováze s nejvzdálenějšími oblastmi ledu. Tyto pakety však brzy získají určitou tepelnou energii z jiných vodních paketů, které sousedí s nimi . Jak tyto balíčky pomalu stoupají, z nulových stupňů na 4 ° C, klesají a nové balíčky zaujímají místa sousedící s ledem. Cyklus se opakuje tak dlouho, dokud tam je led.

Nyní, když se tyto balíčky ledu potápí, získávají více tepelné energie z balíčků vody, se kterými přicházejí do styku při cestě dolů. To spolu s viskózními účinky vody vede k mírnému „zahřátí“ potápějících se balíčků.

Protože se trochu zahřívají, mají tendenci stoupat zpět . Zpět nahoře se „znovu ochladí a znovu klesnou. Tento proces se opakuje tak dlouho, dokud ve vodě zůstane led.

Udělejte krok zpět a uvidíte, že uprostřed šálek by měl být studený, spodní část šálku by měla být chladnější a horní část šálku je nejchladnější .

Takže i když se kostky ledu ve skutečnosti nedotýkají vašich rtů, zjistíte, že usrkávání vody nahoře je chladnější než vysávání vody ze dna skrz sláma.

Konvekce k dosažení uniformity závisí na řadě mlhavých faktorů:

• Kolik ledu?
• Jak vysoká je sklenice?
• Průměr sklenice?
• Je „sklenice“ ve skutečnosti sklenicí nebo papírovým kelímkem, polystyrénovým kelímkem nebo snad kovový pohár?
• Počáteční teplota vody.
• Hmotnost vody na hmotnost ledu.

Podstatou je toto. Jezera v zimě nezmrznou. Bez míchání vytváří voda v jezeře vrstvy, které se míchají velmi, velmi pomalu. Takže zmrzlý led plave na jezeře.

Takže bez míchání voda na ret bude pravděpodobně chladnější než kapalina na dně sklenice.

EDIT – Jedná se o experiment, který můžete snadno provést doma. Naplňte velké čiré sklo (skutečné sklo sklo …) asi 2/3 plné vody z vodovodu a za stálého míchání přidejte potravinářské barvivo, aby byla kapalina docela tmavá. Potom přidejte dostatek ledu, aby se sklenice naplnila bez míchání. (Pěkný experiment, který probíhá přes noc ….) Protože se voda vrstvila, vrstva vody nahoře bude znatelně světlejší než vrstva na spodní straně.

Tepelné toky sáláním, vedením a konvekcí. Nejprve se musím hádat o termínu „ledová voda“. Ledová voda může nebo nemusí obsahovat led. Z toho jasně vyplývá, že že t voda má teplotu 0 ° C. Zvažte systém, kde je minimální průtok vzduchu (tedy minimální vedení vzduch-voda). Zvažte systém, kde voda (zde voda = kapalná voda) má 0 °. Led se obvykle vytváří mezi -15 ° F a +25 ° F, v závislosti na mrazáku. Je to ve všech případech pod 0 ° C (samozřejmě). Co se stane v ideálním případě, když vložím „malý kousek“ ledu do vody při teplotě 0 ° C? Ano, voda zmrzne. Samozřejmě nyní, protože skutečný svět není spojitý, k tomu skutečně nedojde a je možné zkonstruovat systém, ve kterém jsou voda a led v rovnováze při 0 ° C – ale rozhodně to není „snadné“. výše vám ukáže, že se vám nepodařilo dostatečně specifikovat váš systém. Hmoty a teploty vody a ledu jsou důležité . Stejně jako teplota vzduchu, teplota nádoby a teplota stolu / stolu. S dostatečně izolační nádobou si stále musíte dělat starosti s hmotnostním tokem (proudy), který jste dávali vodě jeho nalitím. (Úplné vymizení těchto proudů může trvat hodiny a možná i dny – i za téměř izotermických podmínek!) A samozřejmě záleží na tvaru kousků ledu. Vezměme si (dokonale izolační) kapilární trubici a mělký podnos se stejnou celkovou objemovou kapacitou. Hmotnostní tok a tepelný tok se budou značně lišit. Hydrodynamické výpočty mohou být (a téměř vždy jsou) nesmírně obtížné. Voda nemůže být o nic chladnější než 0 ° (ignorování podchlazení). To zjevně musí nastat při kontaktu s ledem. Ale vezměte v úvahu válcovitý šálek o průměru 10 cm (id) Myslíte si, že odpověď by byla jiná, kdybych do tohoto šálku vložil 1 cm ³ kostku ledu do 1 l vody NEBO kdybych umístil 1 cm silný disk s průměrem (od) 9,9 cm do šálku? Jo, nedostatečně specifikovaný systém, skvělý čas. Dalším zjevným chybějícím dílem je to, co myslíte teplotou. Ne v tom smyslu, že „to není dobře definovaná (makroskopická!) Vlastnost, ale v tom smyslu, že (pravděpodobně) myslíte na průměrnou teplotu nad nějakým objemem. Jak jsem řekl, najde se nejchladnější voda“ v kontaktu „s ledem, ale to neznamená, že celá plocha bude v průměru chladnější než dno 0,1 cm v poháru, protože to samozřejmě záleží na věcech, které jste neurčili. Představte si jako finále „opičí klíč“ ve snaze odpovědět na to, že šálek obsahuje vložku a že kovová vložka byla ochlazena na -200 ° C. Nalijete vodu 0 ° C spolu s určitým nespecifikovaným množstvím ledu a dostanete trochu zamrznutí vody na celém vnitřním povrchu šálku. Nyní, i když zahrneme tento led, když zadáme objem a teplotu ledu, opravdu si myslíte, že by tento led měl stejný účinek jako plovoucí kostky? Nebo zvažte prsten ledu místo disku a co drsnost povrchu podšívky košíčků?

Když teplota klesá, kinetická energie klesá, objem klesá a poté stoupá hustota. Proto je pevná látka dřez a kapalina je nahoře.

Souvisí to s vodou, ale pouze do 4 ° C. Když je voda 10 ° C, teplota vody klesne na 9 ° C, voda o 9 ° C klesne kvůli větší hustotě.

Ale když vezmeme 4 ° C, teplota vody klesne na 3 ° C. Je to jiné. Víte, že mezi každou molekulou $ \ ce {H2O} $ jsou vodíkové vazby. Tvar molekuly $ \ ce {H2O} $ je „ohnutý“. Dva atomy vodíku mohou vytvořit dvě vodíkové vazby se dvěma atomy kyslíku a dva osamocené páry elektronů atomu kyslíku vytvoří dvě vodíkové vazby s dalšími dvěma vodíky dvou molekul. Pak může mít čtyřboký tvar.Víte, že pevná látka má pravidelnou strukturu. (Tekutá) voda nemá pravidelný tvar, všude jsou nepravidelně molekuly a vodíkové vazby. Když teplota klesne ze 4 ° C, co se týče pravidelného tvaru, čtyřboká molekula $ \ ce {H2O} $ se pokouší zvětšit vzdálenost a dosáhnout pravidelného tvaru. Objem se tedy zvyšuje a hustota klesá. Poté po 4 ° C až k nižším teplotám (3, 2, 1, 0, -1) se voda vznáší nahoře.

Aby studená voda klesla ke dnu sklenice, musí být chladnější než voda ve spodní části, která je přemístěna. Takže ano, nejchladnější voda bude nahoře.