Un verre deau avec des glaçons dedans. Où ' est leau la plus froide; en haut ou en bas?

Question intéressante!

Quelques remarques avant tout:

Au fur et à mesure que la glace fond, elle refroidit le leau autour delle.

Techniquement, le glaçon fond parce que leau se refroidit. Cela peut paraître ridicule au début, mais vous devez tenir compte du fait que la glace fond parce que elle a tiré de la « chaleur » (énergie) de son environnement. L « environnement » étant lair et leau qui lentourent (mais leau « est plus importante car » cest un meilleur conducteur dénergie thermique).

Étant donné que leau froide est plus dense que leau chaude, je suppose que leau froide coulerait au fond … mais elle se réchaufferait en coulant, ce qui réduirait la densité.

Vous avez raison, leau froide est plus dense que leau chaude. Il est utile de noter quelle ne devrait pas être trop froide. Lorsque la température de leau descend à 4 ° C, la densité de leau augmente progressivement. Cependant, lorsque la température descend en dessous de 4 ° C, la densité de leau commence à diminuer et leau dans cette plage «flotte» facilement sur leau dans la plage de température ambiante.

Pendant ce temps, la glace fond toujours et dégage son froid dans leau environnante.

La glace ne donne pas son « froid », plutôt, il prend dans la « chaleur » de leau (énergie thermique).

Revenez à votre question.

Comme Max le mentionne dans sa réponse, vous avez fait un travail particulièrement efficace en indiquant les paramètres physiques auxquels nous avons affaire; les vraiment importants étant la température de la glace, la température de l’eau (au moment où vous mettre la glace) et la quantité de glace utilisée (au moins par rapport à leau).

Mais en supposant que vous « buvez de leau (à lorigine à température ambiante) avec un polystyrène de 250 ml ou une tasse en plastique, et vous avez utilisé deux glaçons (de taille normale) et que vous avez commencé à boire de leau une minute après avoir plonk dans les glaçons, leau devrait être plus froide à

Considérez de minuscules couches / régions / paquets imaginaires deau dans la tasse (pensez à cela en termes de paquets deau  » « plutôt que des molécules deau est plus facile à comprendre). Pensez également à la tasse comme ayant trois régions (grossièrement délimitées): Haut, milieu et bas.

Les paquets deau immédiatement adjacents aux glaçons sont en équilibre thermique avec les régions les plus externes de la glace. Cependant, ces paquets gagnent rapidement de lénergie thermique à partir d autres paquets deau qui sont adjacents à eux . Alors que ces paquets montent lentement en température, de zéro degré à plus de 4 ° C, ils coulent et de nouveaux paquets occupent des emplacements adjacents à la glace. Le cycle se répète tant que la glace est là.

Maintenant, à mesure que ces paquets de glace coulent, ils gagnent plus dénergie thermique grâce aux paquets deau avec lesquels ils entrent en contact en descendant. Ceci, associé aux effets visqueux de leau, entraîne un léger «échauffement» des paquets qui coulent.

Maintenant quils se réchauffent un peu, ils ont tendance à remonter . De retour en haut, ils se refroidissent et coulent à nouveau. Ce processus se répète tant que la glace reste dans l’eau.

Faites un pas en arrière et vous verrez que le milieu du la tasse doit être froide, le fond de la tasse doit être plus froid et le haut de la tasse est le le plus froid .

Ainsi, même si les glaçons ne touchent pas réellement vos lèvres, vous constaterez que boire de leau en haut est plus froid que daspirer de leau par le bas par un paille.

La convection pour produire luniformité dépend dun certain nombre de facteurs nébuleux:

• Combien de glace?
• Quelle est la hauteur du verre?
• Diamètre du verre?
• Le « verre » est-il vraiment un verre ou un gobelet en papier, un gobelet en polystyrène ou peut-être un tasse en métal?
• Température initiale de leau.
• Masse deau à masse de glace.

Lessentiel est ceci. Les lacs ne gèlent pas solidement en hiver. Sans remuer, leau du lac forme des couches qui se mélangent très, très lentement. Ainsi, la glace gelée flotte au-dessus du lac.

Donc, sans remuer, leau à la lèvre est susceptible dêtre plus froide que le liquide au fond du verre.

MODIFIER – Cest une expérience que vous pouvez facilement faire à la maison. Remplissez un grand verre transparent (un vrai verre verre …) environ 2/3 avec de leau du robinet et ajoutez du colorant alimentaire en remuant pour rendre le liquide assez foncé. Ensuite, ajoutez suffisamment de glace pour remplir le verre sans remuer. Laissez le verre reposer sur un comptoir solide jusquà ce que la glace fonde. (Belle expérience à exécuter pendant la nuit …) Parce que leau sest superposée, la couche deau du dessus sera plus claire que la couche du bas.

La chaleur circule par rayonnement, conduction et convection. Tout dabord, je dois chipoter sur le terme « eau glacée ». Leau glacée peut ou non contenir de la glace. Ce que cela implique clairement est que t Leau est à 0 ° C. Considérons un système où le débit dair est minimal (doù une conduction air-eau minimale). Considérons un système où leau (ici eau = eau liquide) est à 0 °. La glace est généralement créée entre -15 ° F et + 25 ° F, selon le congélateur. Cest dans tous les cas, en dessous de 0 ° C (évidemment). Maintenant, que se passe-t-il dans un cas idéal lorsque je mets un «tout petit morceau» de glace dans de leau à 0 ° C? Oui, toute leau gèle. Maintenant bien sûr parce que le monde réel nest pas continu, cela ne se produira pas vraiment et il est possible de construire un système dans lequel leau et la glace sont à léquilibre à 0 ° C – mais ce nest certainement pas « facile ». Je mentionne le ci-dessus pour vous montrer que vous navez pas correctement spécifié votre système. Les masses et températures de leau et de la glace importent . Tout comme la température de lair, la température du récipient et la température du banc / de la table. Avec un récipient suffisamment isolant, vous devez toujours vous soucier du débit massique (courants) que vous avez donné à leau en la versant. (Ces courants peuvent prendre des heures, voire des jours, à se dissiper complètement – même dans des conditions quasi isothermes!) Et bien sûr, la forme des morceaux de glace est importante. Considérons un tube capillaire (parfaitement isolant) et un plateau peu profond avec la même capacité volumique totale. Le débit massique et le débit thermique seront très différents. Les calculs hydrodynamiques peuvent être (et presque sont toujours extrêmement difficiles. Leau ne peut pas être inférieure à 0 ° (en ignorant la surfusion). Cela doit clairement se produire au contact de la glace. Mais considérez une tasse cylindrique de 10 cm de diamètre (id) Pensez-vous que la réponse serait différente si je plaçais un glaçon de 1 cm ³ dans 1 L deau dans cette tasse OU si je plaçais un Disque de 1 cm dépaisseur avec un diamètre (od) de 9,9 cm dans la coupe? Ouais, système sous-spécifié, grand temps. Une autre pièce manquante évidente est ce que vous entendez par température. Pas dans le sens où ce nest pas une propriété bien définie (macroscopique!), Mais dans le sens où vous pensez (probablement) à la température moyenne sur un certain volume. Comme je lai dit, leau la plus froide se trouvera « en contact » « avec la glace, mais cela ne veut pas dire que toute la surface sera en moyenne plus froide que le 0,1 cm du bas de la coupe car cela dépend évidemment de choses que vous n’avez pas spécifiées. Imaginez comme un final « clé à molette » pour tenter de répondre à cela, que la tasse contient un insert et que linsert métallique a été refroidi à -200 ° C. Vous versez de leau à 0 ° C, avec une quantité non spécifiée de glace et vous en obtenez gel de leau sur toute la surface intérieure de la tasse. Maintenant, même si nous incluons cette glace lorsque nous spécifions le volume et la température de la glace, pensez-vous vraiment que cette glace aurait le même effet que des cubes flottants? Ou considérez un anneau de glace au lieu dun disque, et quen est-il de la rugosité de surface de la doublure des coupelles?

Lorsque la température baisse, lénergie cinétique diminue, le volume diminue puis la densité augmente. Par conséquent, le solide est un puits et le liquide est au-dessus.

Il est lié à leau mais seulement jusquà 4 ° C. Quand il y a de leau à 10 ° C, la température de leau descend à 9 ° C, leau à 9 ° C baissera à cause de la densité plus élevée.

Mais quand on prend 4 ° C, la température de leau descend à 3 ° C. Cest différent. Vous savez quil existe des liaisons hydrogène entre chaque molécule $ \ ce {H2O} $. La forme de la molécule $ \ ce {H2O} $ est « pliée ». Les deux atomes dhydrogène peuvent faire deux liaisons hydrogène avec deux atomes doxygène, et deux paires délectrons solitaires de latome doxygène font deux liaisons hydrogène avec deux autres hydrogènes de deux molécules. Ensuite, il peut avoir une forme tétraédrique.Vous savez que le solide a une structure régulière. Leau (liquide) na pas de forme régulière, il y a des molécules et des liaisons hydrogène partout de manière irrégulière. Lorsque la température descend de 4 ° C par rapport à la forme régulière, les molécules tétraédriques $ \ ce {H2O} $ essaient daugmenter la distance et de prendre une forme régulière. Ainsi, le volume augmente et la densité diminue. Puis après 4 ° C à des températures basses (3, 2, 1, 0, -1), (leau) flotte sur le dessus.

Pour que leau froide coule au fond du verre, il doit être plus froid que leau en bas qui est déplacé. Alors oui, leau la plus froide sera en haut.