Ein Glas Wasser mit Eiswürfeln. Wo ' das Wasser am kältesten ist; oben oder unten?

Interessante Frage!

Ein paar Dinge zuerst:

Wenn das Eis schmilzt, kühlt es das Wasser um ihn herum.

Technisch gesehen schmilzt der Eiswürfel , weil das Wasser abkühlt. Das mag zunächst lächerlich klingen, aber Sie müssen die Tatsache berücksichtigen, dass das Eis schmilzt, weil „Wärme“ (Energie) aus seiner Umgebung gezogen hat. Die „Umgebung“ ist die Luft und das Wasser, die sie umgeben (aber das Wasser ist wichtiger, da es „ein besserer Leiter der Wärmeenergie ist).

Angesichts der Tatsache, dass kaltes Wasser dichter als heißes Wasser ist, würde ich annehmen, dass das kalte Wasser auf den Boden sinken würde … aber es würde sich beim Absinken erwärmen und die Dichte verringern.

Sie haben Recht, kaltes Wasser ist dichter als heißes Wasser. Es ist hilfreich zu beachten, dass es nicht zu kalt sein sollte. Wenn die Wassertemperatur auf 4 ° C abfällt, nimmt die Wasserdichte allmählich zu. Wenn jedoch die Temperatur unter 4 ° C fällt, beginnt die Dichte des Wassers tatsächlich zu sinken, und Wasser in diesem Bereich „schwimmt“ leicht über Wasser im Raumtemperaturbereich.

Währenddessen schmilzt das Eis immer noch und gibt seine Kälte an das umgebende Wasser ab.

Eis gibt kein ab „kalt“ nimmt vielmehr in die „Wärme“ (Wärmeenergie) des Wassers auf.

Zurück zu Ihrer Frage.

Wie Max in seiner Antwort erwähnt, haben Sie besonders gut angegeben, mit welchen physikalischen Parametern wir es zu tun haben. Die wirklich wichtigen sind die Temperatur des Eises und die Temperatur des Wassers (zu Ihrer Zeit) Geben Sie das Eis ein) und die Menge des verwendeten Eises (zumindest in Bezug auf das Wasser).

Angenommen, Sie trinken Wasser (ursprünglich bei Raumtemperatur) aus 250 ml Styropor oder Plastikbecher, und Sie haben zwei (normal große) Eiswürfel verwendet und eine Minute nach dem Eintauchen in die Eiswürfel mit dem Trinken des Wassers begonnen. Das Wasser sollte kälter sein oben als unten.

Betrachten Sie winzige, imaginäre Schichten / Regionen / Wasserpakete in der Tasse (denken Sie an Wasserpakete) „anstatt Wassermoleküle ist leichter zu verstehen). Stellen Sie sich den Becher auch als drei (grob abgegrenzte) Bereiche vor: oben, in der Mitte und unten.

Wasserpakete unmittelbar neben den Eiswürfeln befinden sich im thermischen Gleichgewicht mit den äußersten Bereichen des Eises. Diese Pakete gewinnen jedoch bald etwas Wärmeenergie von anderen Wasserpaketen, die an sie angrenzen. Wenn die Temperatur dieser Pakete langsam von null Grad auf über 4 ° C steigt, sinken sie und neue Pakete besetzen Orte neben dem Eis. Der Zyklus wiederholt sich so lange, wie das Eis vorhanden ist.

Wenn diese Eispakete sinken, gewinnen sie mehr Wärmeenergie aus den Wasserpaketen, mit denen sie auf ihrem Weg nach unten in Kontakt kommen. Dies führt zusammen mit den viskosen Effekten von Wasser zu einem leichten „Aufwärmen“ der sinkenden Pakete.

Jetzt, da sie sich etwas erwärmen, neigen sie dazu, wieder aufzusteigen . Zurück oben werden sie „abgekühlt und sinken wieder. Dieser Vorgang wiederholt sich so lange, wie das Eis im Wasser bleibt.

Machen Sie einen Schritt zurück und Sie werden sehen, dass die Mitte des Tasse sollte kalt sein, der Boden der Tasse sollte kälter sein, und die Oberseite der Tasse sollte die kälteste .

Selbst wenn die Eiswürfel Ihre Lippen nicht berühren, werden Sie feststellen, dass das Trinken des Wassers oben kälter ist als das Heraussaugen von Wasser von unten durch a Stroh.

Die Konvektion zur Erzeugung von Gleichmäßigkeit hängt von einer Reihe nebulöser Faktoren ab:

• Wie viel Eis?
• Wie hoch ist das Glas?
• Durchmesser des Glases?
• Ist das „Glas“ wirklich ein Glas- oder Pappbecher, ein Styroporbecher oder vielleicht ein Metallbecher?
• Anfangstemperatur des Wassers.
• Masse von Wasser zu Masse von Eis.

Das Wesentliche ist dies. Seen gefrieren im Winter nicht fest. Ohne Rühren bildet das Seewasser Schichten, die sich sehr, sehr langsam vermischen. Das gefrorene Eis schwimmt also auf dem See.

Also ohne Rühren das Wasser an Die Lippe ist wahrscheinlich kälter als die Flüssigkeit am Boden des Glases.

BEARBEITEN – Dies ist ein Experiment, das Sie problemlos zu Hause durchführen können. Füllen Sie ein großes klares Glas (ein echtes Glas) Glas …) ca. 2/3 mit Leitungswasser füllen und unter Rühren Lebensmittelfarbe hinzufügen, um die Flüssigkeit ziemlich dunkel zu machen. Dann genug Eis hinzufügen, um das Glas ohne Rühren zu füllen. Das Glas auf einer festen Theke stehen lassen, bis das Eis schmilzt. (Schönes Experiment, um über Nacht zu laufen …) Da sich das Wasser geschichtet hat, ist die Wasserschicht oben merklich heller als die Schicht unten.

Wärmeströme durch Strahlung, Leitung und Konvektion. Zuerst muss ich über den Begriff „Eiswasser“ streiten. Eiswasser kann Eis enthalten oder nicht. Was dies eindeutig impliziert, ist dass t Das Wasser hat 0 ° C. Stellen Sie sich ein System vor, bei dem nur ein minimaler Luftstrom (daher eine minimale Luft-Wasser-Leitung) vorhanden ist. Stellen Sie sich ein System vor, bei dem das Wasser (hier Wasser = flüssiges Wasser) 0 ° hat. Je nach Gefrierschrank entsteht normalerweise Eis zwischen -15 ° F und + 25 ° F. Es liegt in allen Fällen unter 0 ° C (offensichtlich). Was passiert nun im Idealfall, wenn ich bei 0 ° C ein „kleines Stück“ Eis ins Wasser lege? Ja, das Wasser gefriert. Da die reale Welt nicht kontinuierlich ist, wird dies natürlich nicht wirklich passieren und es ist möglich, ein System zu konstruieren, in dem Wasser und Eis bei 0 ° C im Gleichgewicht sind – aber es ist definitiv nicht „einfach“ oben, um Ihnen zu zeigen, dass Sie Ihr System nicht angemessen spezifiziert haben. Die Massen und Temperaturen des Wassers und des Eises sind wichtig. Ebenso wie die Lufttemperatur, die Temperatur des Behälters und die Temperatur der Bank / des Tisches. Bei einem ausreichend isolierenden Behälter müssen Sie sich immer noch Gedanken über den Massenstrom (die Ströme) machen, den Sie dem Wasser durch Gießen gegeben haben. (Es kann Stunden und möglicherweise Tage dauern, bis sich diese Ströme vollständig aufgelöst haben – auch unter nahezu isothermen Bedingungen!) Und Natürlich spielt die Form der Eisstücke eine Rolle. Betrachten Sie ein (perfekt isolierendes) Kapillarrohr und eine flache Schale mit der gleichen Gesamtvolumenkapazität. Der Massenstrom und der Wärmestrom sind sehr unterschiedlich. Hydrodynamische Berechnungen können (und fast) sein sind immer) enorm schwierig. Das Wasser kann nicht kälter als 0 ° sein (Unterkühlung ignorieren). Das muss eindeutig in Kontakt mit dem Eis geschehen. Aber denken Sie an einen zylindrischen Becher mit einem Durchmesser von 10 cm (id). Glauben Sie, dass die Antwort anders wäre, wenn ich einen 1 cm ³ -Eiswürfel in 1 l Wasser in diesen Becher geben würde ODER wenn ich einen 1 cm dicke Scheibe mit einem Durchmesser (od) von 9,9 cm in die Tasse? Ja, unterbestimmtes System, große Zeit. Ein weiteres offensichtliches fehlendes Teil ist das, was Sie unter Temperatur verstehen. Nicht in dem Sinne, dass es sich nicht um eine genau definierte (makroskopische!) Eigenschaft handelt, sondern in dem Sinne, dass Sie (wahrscheinlich) an die Durchschnittstemperatur über ein bestimmtes Volumen denken. Wie gesagt, das kälteste Wasser wird in Kontakt gefunden „mit dem Eis, aber das bedeutet nicht, dass die gesamte Oberfläche im Durchschnitt kälter als der Boden 0,1 cm in der Tasse ist, da dies offensichtlich von Dingen abhängt, die Sie nicht spezifiziert haben. Stellen Sie sich als Finale vor „Schraubenschlüssel“ in dem Versuch, dies zu beantworten, dass die Tasse einen Einsatz enthält und dass der Metalleinsatz auf -200 ° C abgekühlt wurde. Sie gießen das 0 ° C-Wasser zusammen mit einer nicht spezifizierten Menge Eis ein und erhalten etwas Glauben Sie wirklich, dass dieses Eis den gleichen Effekt haben würde wie schwimmende Würfel, oder betrachten Sie einen Ring, selbst wenn wir dieses Eis auf der gesamten Innenfläche des Bechers einfrieren. Selbst wenn wir dieses Eis einbeziehen, wenn wir das Volumen und die Temperatur des Eises angeben aus Eis anstelle einer Scheibe, und was ist mit der Oberflächenrauheit der Tassenauskleidung?

Wenn die Temperatur sinkt, nimmt die kinetische Energie ab, das Volumen nimmt ab und dann steigt die Dichte. Daher sinkt der Feststoff und die Flüssigkeit befindet sich oben.

Er bezieht sich auf das Wasser, jedoch nur bis zu 4 ° C. Wenn es 10 ° C Wasser gibt, sinkt die Wassertemperatur auf 9 ° C, das 9 ° C Wasser sinkt aufgrund der höheren Dichte.

Aber wenn wir 4 ° C nehmen, sinkt die Wassertemperatur auf 3 ° C. Es ist anders. Sie wissen, dass zwischen jedem $ \ ce {H2O} $ -Molekül Wasserstoffbrücken bestehen. Die Form des $ \ ce {H2O} $ -Moleküls ist „gebogen“. Die zwei Wasserstoffatome können zwei Wasserstoffbrückenbindungen mit zwei Sauerstoffatomen eingehen, und zwei einzelne Elektronenpaare des Sauerstoffatoms können zwei Wasserstoffbrückenbindungen mit zwei Wasserstoffatomen eines anderen Moleküls eingehen. Dann kann es eine tetraedrische Form haben.Sie wissen, dass Festkörper eine regelmäßige Struktur haben. (Flüssiges) Wasser hat keine regelmäßige Form, überall gibt es unregelmäßig Moleküle und Wasserstoffbrücken. Wenn die Temperatur in Bezug auf die reguläre Form von 4 ° C sinkt, versuchen die tetraedrischen $ \ ce {H2O} $ -Moleküle, den Abstand zu vergrößern und zu einer regulären Form zu gelangen. Das Volumen nimmt also zu und die Dichte nimmt ab. Nach 4 ° C bis zu niedrigen Temperaturen (3, 2, 1, 0, -1) schwimmt das (Wasser) oben.