Un vaso de agua con cubitos de hielo. Donde ' es el agua más fría; en la parte superior o inferior?

¡Pregunta interesante!

Primero, algunas cosas:

A medida que el hielo se derrite, enfría el agua alrededor.

Técnicamente, el cubo de hielo se derrite porque el agua se enfría. Esto puede sonar ridículo al principio, pero debes considerar el hecho de que el hielo se derrite porque ha extraído «calor» (energía) de su entorno. El «entorno» es el aire y el agua que lo rodea (pero el agua es más importante ya que es un mejor conductor de la energía térmica).

Dado que el agua fría es más densa que el agua caliente, supongo que el agua fría se hundiría hasta el fondo … pero se calentaría a medida que se hundía, reduciendo la densidad.

Tienes razón, el agua fría es más densa que el agua caliente. Sin embargo, es útil tener en cuenta que no debería estar demasiado fría. A medida que la temperatura del agua desciende a 4 ° C, la densidad del agua aumenta gradualmente. Sin embargo, a medida que la temperatura desciende por debajo de 4 ° C, la densidad del agua en realidad comienza a disminuir y el agua en este rango «flota» fácilmente sobre el agua en el rango de temperatura ambiente.

Mientras tanto, el hielo todavía se está derritiendo y emitiendo su frío al agua circundante.

El hielo no está emitiendo su «frío», más bien, toma dentro el «calor» del agua (energía térmica).

De vuelta a tu pregunta.

Como Max menciona en su respuesta, ha hecho un trabajo particularmente bueno al indicar con qué parámetros físicos estamos tratando; los realmente importantes son la temperatura del hielo, la temperatura del agua (en el momento en que poner el hielo) y la cantidad de hielo utilizada (al menos con respecto al agua).

Pero asumiendo que «está bebiendo agua (originalmente a temperatura ambiente) de una espuma de poliestireno de 250 ml o vaso de plástico, y usó dos cubitos de hielo (de tamaño normal) y comenzó a beber el agua un minuto después de colocarlos, el agua debe estar más fría a la parte superior que la inferior.

Considere capas / regiones / paquetes diminutos e imaginarios de agua en la taza (pensando en esto en términos de «paquetes de agua «en lugar de moléculas de agua es más fácil de comprender). Además, piense que la taza tiene tres regiones (crudamente demarcadas): superior, media e inferior.

Los paquetes de agua inmediatamente adyacentes a los cubitos de hielo están en equilibrio térmico con las regiones más externas del hielo. Sin embargo, estos paquetes pronto obtienen algo de energía térmica de otros paquetes de agua que están adyacentes a ellos . Entonces, a medida que estos paquetes aumentan lentamente de temperatura, de cero grados a más de 4 ° C, se hunden y los nuevos paquetes ocupan ubicaciones adyacentes al hielo. El ciclo se repite mientras haya hielo.

Ahora, a medida que esos paquetes de hielo se hunden, obtienen más energía térmica de los paquetes de agua con los que entran en contacto al descender. Esto, junto con los efectos viscosos del agua, da como resultado un leve «calentamiento» de los paquetes que se hunden.

Ahora que se calientan un poco, tienden a subir hacia atrás. . De vuelta a la parte superior, se enfrían y se hunden nuevamente. Este proceso se repite mientras el hielo permanezca en el agua.

Da un paso atrás y verás que la mitad del la taza debe estar fría, la parte inferior de la taza debe estar más fría y la parte superior de la taza es la más fría .

Por lo tanto, incluso si los cubitos de hielo no están tocando sus labios, encontrará que beber el agua en la parte superior es más frío que succionar el agua del fondo a través de un paja.

La convección para producir uniformidad depende de varios factores nebulosos:

• ¿Cuánto hielo?
• ¿Qué altura tiene el vaso?
• ¿El diámetro del vaso?
• ¿Es el «vaso» realmente un vaso o vaso de papel, un vaso de espuma de poliestireno o quizás un ¿taza de metal?
• Temperatura inicial del agua.
• Masa de agua a masa de hielo.

La esencia es esta. Los lagos no se congelan en el invierno. Sin remover, el agua del lago forma capas que se mezclan muy, muy lentamente. Entonces el hielo congelado flota sobre el lago.

Entonces, sin remover, el agua en es probable que el labio esté más frío que el líquido en la parte inferior del vaso.

EDITAR: este es un experimento que puede hacer fácilmente en casa. Llene un vaso transparente grande (un vaso real vaso …) aproximadamente 2/3 lleno con agua del grifo y agregue colorante para alimentos revolviendo para oscurecer el líquido. Luego agregue suficiente hielo para llenar el vaso sin revolver. Deje reposar el vaso sobre un mostrador sólido hasta que el hielo se derrita. (Buen experimento para ejecutar durante la noche …) Debido a que el agua se ha formado en capas, la capa de agua en la parte superior se notará en un color más claro que la capa en la parte inferior.

El calor fluye por radiación, conducción y convección. Primero, tengo que objetar el término «agua helada». El agua helada puede contener hielo o no. Lo que claramente implica es que t El agua está a 0 ° C. Considere un sistema donde hay un flujo de aire mínimo (por lo tanto, una conducción aire-agua mínima). Considere un sistema donde el agua (aquí agua = agua líquida) está a 0 °. El hielo se crea típicamente entre -15 ° F y + 25 ° F, dependiendo del congelador. En todos los casos, está por debajo de 0 ° C (obviamente). Ahora bien, ¿qué sucede en un caso ideal cuando pongo un «poquito» de hielo en agua a 0 ° C? Sí, el agua se congela. Ahora, por supuesto, debido a que el mundo real no es continuo, esto realmente no sucederá y es posible construir un sistema en el que el agua y el hielo estén en equilibrio a 0 ° C, pero definitivamente no es «fácil». Menciono el anterior para mostrarle que no ha especificado adecuadamente su sistema. Las masas y temperaturas del agua y el hielo importan . Al igual que la temperatura del aire, la temperatura del recipiente y la temperatura del banco / mesa. Con un recipiente suficientemente aislante, todavía tiene que preocuparse por el flujo de masa (corrientes) que le ha dado al agua al verterla. (Estas corrientes pueden tardar horas y posiblemente días en desaparecer por completo, ¡incluso en condiciones casi isotérmicas!). Por supuesto, la forma de los trozos de hielo es importante. Considere un tubo capilar (perfectamente aislante) y una bandeja poco profunda con la misma capacidad de volumen total. El flujo másico y el flujo térmico serán muy diferentes. Los cálculos hidrodinámicos pueden ser (y casi siempre son) enormemente difíciles. El agua no puede estar más fría que 0 ° (ignorando el sobreenfriamiento). Eso claramente debe ocurrir en contacto con el hielo. Pero considere una taza cilíndrica de 10 cm de diámetro (id) ¿Cree que la respuesta sería diferente si colocara un cubo de hielo de 1 cm ³ en 1 L de agua en esa taza O si colocara un ¿Disco de 1 cm de espesor con un diámetro (od) de 9,9 cm en la taza? Sí, sistema subespecificado, a lo grande. Otra pieza obvia que falta es lo que quieres decir con temperatura. No en el sentido de que no sea una propiedad bien definida (¡macroscópica!), Sino en el sentido de que (probablemente) esté pensando en la temperatura promedio sobre algún volumen. Como dije, el agua más fría se encontrará «en contacto «con el hielo, pero esto no significa que toda la superficie estará en promedio más fría que los 0,1 cm inferiores de la taza, ya que obviamente depende de cosas que no hayas especificado. «Llave inglesa» en el intento de responder a esto, que la taza contiene un inserto y que el inserto metálico se ha enfriado a -200 ° C. Vierte el agua a 0 ° C, junto con una cantidad no especificada de hielo y obtiene un poco congelación del agua en toda la superficie interior de la taza. Ahora, incluso si incluimos este hielo cuando especificamos el volumen y la temperatura del hielo, ¿de verdad crees que este hielo tendría el mismo efecto que los cubos flotantes? O considera un anillo de hielo en lugar de un disco, y ¿qué pasa con la rugosidad de la superficie del revestimiento de las tazas?

Cuando la temperatura baja, la energía cinética disminuye, el volumen disminuye y luego la densidad aumenta. Por lo tanto, el sólido se hunde y el líquido está arriba.

Está relacionado con el agua pero solo hasta los 4 ° C. Cuando hay agua a 10 ° C, la temperatura del agua baja a 9 ° C, el agua a 9 ° C bajará debido a la mayor densidad.

Pero cuando tomamos 4 ° C la temperatura del agua baja a 3 ° C. Es diferente. Sabes que hay enlaces de hidrógeno entre cada molécula $ \ ce {H2O} $. La forma de la molécula $ \ ce {H2O} $ está «doblada». Los dos átomos de hidrógeno pueden formar dos enlaces de hidrógeno con dos átomos de oxígeno, y dos pares de electrones solitarios del átomo de oxígeno forman dos enlaces de hidrógeno con dos hidrógenos de otras dos moléculas. Entonces puede tener una forma tetraédrica.Sabes que el sólido tiene una estructura regular. El agua (líquida) no tiene una forma regular, hay moléculas y enlaces de hidrógeno en todas partes de manera irregular. Cuando la temperatura desciende de 4 ° C a la forma regular, las moléculas tetraédricas $ \ ce {H2O} $ intentan aumentar la distancia y adoptar una forma regular. Entonces, el volumen aumenta y la densidad disminuye. Luego, después de 4 ° C para bajar las temperaturas (3, 2, 1, 0, -1), el (agua) flota en la parte superior.

Para que el agua fría se hunda hasta el fondo del vaso, debe ser más fría que el agua en la parte inferior que se desplaza. Entonces, sí, el agua más fría estará en la parte superior.