Antag at jeg fylder et glas med isvand. Når isen smelter, køler den vandet rundt. I betragtning af at koldt vand er tættere end varmt vand, ville jeg antage, at det kolde vand ville synke ned til bunden … men det ville varme, når det synker, hvilket reducerer tætheden. I mellemtiden smelter isen stadig og afgiver koldt til det omgivende vand.
Så vil drikke isvand med et sugerør give dig køligere eller varmere vand end at drikke fra glassets kant?
Kommentarer
- da.wikipedia.org/wiki/Grashof_number
- Hm, men isen er tæt på toppen … burde ikke ‘ t vandet, der straks omgiver det, være koldere end vandet længst væk fra det? Koldt vand er ikke ‘ t fører, det tager et stykke tid at synke …
Svar
Interessant spørgsmål!
Et par ting først:
Når isen smelter, køler den vand omkring det.
Teknisk set smelter isterningen fordi vandet køler ned. Dette lyder måske latterligt i starten, men du skal overveje det faktum, at isen smelter fordi den har trukket “varme” (energi) fra sine omgivelser. “Omgivelserne” er luften og vandet, der omgiver det (men vandet er vigtigere, da det “er en bedre leder af termisk energi).
I betragtning af at koldt vand er tættere end varmt vand, ville jeg antage, at det kolde vand ville synke ned til bunden … men det ville blive varmt, når det synker og reducere tætheden. / div>
Du har ret, koldt vand er tættere end varmt vand. Det er nyttigt at bemærke, at det ikke bør være for koldt. Når vandtemperaturen falder til 4 ° C, stiger vandtætheden gradvist. Da temperaturen dog falder til under 4 ° C, begynder vandtætheden faktisk at falde og vand i dette område “flyder” let over vand i stuetemperaturområdet.
I mellemtiden smelter isen stadig og afgiver sin kolde til det omgivende vand.
Is giver ikke off sin “koldt”, det tager snarere i vandets “varme” (termisk energi).
Tilbage til dit spørgsmål.
Som Max nævner i sit svar, har du gjort et særligt godt stykke arbejde med at angive, hvilke fysiske parametre vi har at gøre med; de virkelig vigtige er temperaturen på isen, temperaturen på vandet (på det tidspunkt du læg isen i) og den anvendte mængde is (i det mindste i forhold til vandet).
Men forudsat at du drikker vand (oprindeligt ved stuetemperatur) ud af en 250 ml styrofoam eller plastik, og du brugte to (normale) isterninger, og at du begyndte at drikke vandet et minut efter at du plonkede i isterningerne, vandet skulle være koldere ved toppen end i bunden.
Overvej små, imaginære lag / regioner / vandpakker i koppen (tænk på dette i form af vand “-pakker “snarere end vandmolekyler er lettere at forstå). Tænk også på, at koppen har tre (groft afgrænsede) regioner: Top, mellem og bund.
Vandpakker, der straks støder op til isterningerne, er i termisk ligevægt med de yderste områder af isen. Imidlertid får disse pakker snart noget termisk energi fra andre vandpakker, der støder op til dem . Så da disse pakker langsomt stiger i temperatur, fra nul grader til forbi 4 ° C, synker de, og nye pakker indtager placeringer ved siden af isen. Cyklussen gentages, så længe isen er der.
Nu når disse pakker med is synker, får de mere termisk energi fra de vandpakker, de kommer i kontakt med på vej ned. Dette kombineret med de viskose effekter af vand resulterer i den milde “opvarmning” af de synkende pakker.
Nu da de varmer lidt op, har de en tendens til at stige op igen . Tilbage øverst bliver de afkølet og synker igen. Denne proces gentages, så længe isen forbliver i vandet.
Tag et skridt tilbage, og du vil se, at midten af kop burde være koldt, bunden af koppen skulle være koldere og toppen af koppen er koldeste .
Så selvom isterningerne ikke rent faktisk rører ved dine læber, vil du finde nipper til vandet øverst for at være koldere end at suge vand ned fra bunden gennem en halm.
Svar
Konvektionen for at producere ensartethed afhænger af et antal tågefaktorer:
- Hvor meget is?
- Hvor høj er glasset?
- Diameter på glasset?
- Er “glasset” virkelig et glas- eller papirbæger, styrofoam-kop eller måske et metalkop?
- Vandets oprindelige temperatur.
- Vandmasse til ismasse.
Kernen er dette. Søer fryser ikke fast om vinteren. Uden omrøring danner søvandet lag, der blandes meget, meget langsomt. Så den frosne is flyder oven på søen.
Så uden omrøring, vandet ved læben er sandsynligvis koldere end væsken i bunden af glasset.
EDIT – Dette er et eksperiment, som du nemt kan gøre derhjemme. Fyld et stort klart glas (et ægte glas glas …) ca. 2/3 fyldt med ledningsvand og tilsæt madfarve under omrøring for at gøre væsken temmelig mørk. Tilsæt derefter nok is til at fylde glasset uden at omrøre. Lad glasset sidde på en fast tæller indtil isen smelter (Dejligt eksperiment at køre natten over ….) Fordi vandet er lagdelt, vil vandlaget på toppen være tydeligere lysere i farve end laget i bunden.
Svar
Varme strømmer af stråling, ledning og konvektion. Først skal jeg kvæle over ordet “isvand”. Isvand kan måske ikke indeholde is. Hvad det tydeligt antyder er at t vandet er ved 0 ° C. Overvej et system, hvor der er minimal luftstrøm (derfor minimal luft-vandledning). Overvej et system, hvor vandet (her vand = flydende vand) er ved 0 °. Is oprettes typisk ved mellem -15 ° F og + 25 ° F, afhængigt af fryseren. Det er i alle tilfælde under 0 ° C (selvfølgelig). Hvad sker der nu i et ideelt tilfælde, når jeg lægger en “lille smule” is i vand ved 0 ° C? Yup, vandet fryser alt sammen. Nu selvfølgelig, fordi den virkelige verden ikke er kontinuerlig, vil dette ikke virkelig ske, og det er muligt at konstruere et system, hvor vand og is er i ligevægt ved 0 ° C – men det er bestemt ikke “let”. Jeg nævner ovenfor for at vise dig, at du ikke har tilstrækkeligt specificeret dit system. Vandets og isens masser og temperaturer stof . Det samme gør lufttemperaturen, beholderens temperatur og temperaturen på bænken / bordet. Med en tilstrækkelig isolerende beholder skal du stadig bekymre dig om den massestrøm (strømme), du har givet vandet ved at hælde det. (Disse strømme kan tage timer og muligvis dage at spredes fuldstændigt – selv under næsten isotermiske forhold!) Og naturligvis betyder formen på isstykkerne. Overvej et (perfekt isolerende) kapillarrør og en lav bakke med den samme samlede volumenkapacitet. Massestrømmen og den termiske strømning vil være meget forskellige. Hydrodynamiske beregninger kan være (og næsten er altid) enormt vanskelige. Vandet kan ikke være koldere end 0 ° (ignorerer superkøling). Det skal klart forekomme i kontakt med isen. Men overvej en cylindrisk kop 10 cm i diameter (id) Tror du, at svaret ville være anderledes, hvis jeg placerede en 1 cm 3 isterning i 1 liter vand i den kop ELLER hvis jeg placerede en 1 cm tyk skive med en diameter (od) på 9,9 cm i skålen? Ja, under-specificeret system, big time. Et andet åbenlyst manglende stykke er, hvad du mener med temperatur. Ikke i den forstand, at det ikke er en veldefineret (makroskopisk!) Egenskab, men i den forstand, at du (sandsynligvis) tænker på gennemsnitstemperaturen over noget volumen. Som jeg sagde, vil det koldeste vand blive fundet “i kontakt “med isen, men det betyder ikke, at hele overfladen vil være i gennemsnit koldere end bunden på 0,1 cm i koppen, da det naturligvis afhænger af ting, du ikke har specificeret. Forestil dig som en endelig “abenøgle” i forsøget på at svare på dette, at koppen indeholder en indsats, og at den metalliske indsats er afkølet til -200 ° C. Du hælder 0 ° C vandet i sammen med noget uspecificeret mængde is, og du får noget frysning af vandet på hele indersiden af koppen. Selvom vi inkluderer denne is, når vi specificerer volumen og temperatur på isen, tror du virkelig, at denne is ville have den samme effekt som flydende terninger? Eller overvej en ring af is i stedet for en disk, og hvad med overfladens ruhed på koppernes foring?
Svar
Når temperaturen falder ned, reduceres den kinetiske energi, lydstyrken falder, og derefter stiger densiteten. Derfor er fast vask og væske på toppen.
Det er relateret til vandet, men kun op til 4 ° C. Når der er vand 10 ° C, falder vandets temperatur ned til 9 ° C, 9 ° C vandet vil gå ned på grund af den større tæthed.
Men når vi tager 4 ° C, går vandtemperaturen ned til 3 ° C. Det er forskelligt. Du ved, at der er hydrogenbindinger mellem hvert $ \ ce {H2O} $ -molekyle. Formen på $ \ ce {H2O} $ -molekylet er “bøjet”. De to hydrogenatomer kan danne to hydrogenbindinger med to iltatomer, og to ensomme elektronpar af iltatomet danner to hydrogenbindinger med yderligere to molekyler to hydrogener. Derefter kan det have en tetrahedral form.Du ved, at solid har en regelmæssig struktur. (Flydende) vand har ingen regelmæssig form, der er molekyler og hydrogenbindinger overalt uregelmæssigt. Når temperaturen går ned fra 4 ° C med hensyn til den regelmæssige form, prøver tetraedriske $ \ ce {H2O} $ -molekyler at øge afstanden og komme til en regelmæssig form. Så lydstyrken øges, og densiteten går ned. Derefter flyder (vandet) efter 4 ° C til nedre temperaturer (3, 2, 1, 0, -1) øverst.
Svar
For at koldt vand skal synke til bunden af glasset, har det været koldere i bunden, der er forskudt. Så ja, det koldeste vand vil være øverst.