Un bicchiere dacqua con dentro cubetti di ghiaccio. Dove ' è lacqua più fredda; in alto o in basso?

Domanda interessante!

Prima alcune cose:

Quando il ghiaccio si scioglie, raffredda acqua attorno ad esso.

Tecnicamente, il cubetto di ghiaccio si scioglie perché lacqua si raffredda. Allinizio può sembrare ridicolo, ma devi considerare il fatto che il ghiaccio si scioglie perché ha assorbito “calore” (energia) dallambiente circostante. I “dintorni” sono laria e lacqua che la circondano (ma lacqua “è più importante perché è un migliore conduttore di energia termica).

Dato che lacqua fredda è più densa dellacqua calda, presumo che lacqua fredda scenda sul fondo … ma si riscalda man mano che affonda, riducendo la densità.

Hai ragione, lacqua fredda è più densa dellacqua calda. È utile notare che non dovrebbe essere troppo fredda però. Quando la temperatura dellacqua scende a 4 ° C, la densità dellacqua aumenta gradualmente. Tuttavia, quando la temperatura scende al di sotto di 4 ° C, la densità dellacqua inizia effettivamente a diminuire e lacqua in questo intervallo “galleggia” facilmente sullacqua nellintervallo di temperatura ambiente.

Nel frattempo, il ghiaccio si sta ancora sciogliendo e cede il suo freddo allacqua circostante.

Il ghiaccio non sta cedendo via il suo “freddo”, piuttosto, ci vuole in lacqua “s” calore “(energia termica).

Torna alla tua domanda.

Come dice Max nella sua risposta, hai fatto un lavoro particolarmente buono nellindicare con quali parametri fisici “abbiamo a che fare; quelli veramente importanti sono la temperatura del ghiaccio, la temperatura dellacqua (al momento tu mettere il ghiaccio) e la quantità di ghiaccio utilizzata (almeno rispetto allacqua).

Ma supponendo di “bere acqua (originariamente a temperatura ambiente) da un polistirolo da 250 ml o un bicchiere di plastica e hai usato due cubetti di ghiaccio (di dimensioni normali) e hai iniziato a bere lacqua un minuto dopo aver immesso i cubetti di ghiaccio, lacqua dovrebbe essere più fredda a in alto che in basso.

Considera minuscoli strati / regioni / pacchetti dacqua immaginari nel bicchiere (pensando a questo in termini di acqua “pacchetti “piuttosto che le molecole dacqua è più facile da comprendere). Inoltre, pensa alla coppa come se avesse tre regioni (rozzamente delimitate): superiore, centrale e inferiore.

I pacchetti dacqua immediatamente adiacenti ai cubetti di ghiaccio sono in equilibrio termico con le regioni più esterne del ghiaccio. Tuttavia, questi pacchetti guadagnano presto energia termica da altri pacchetti dacqua che sono adiacenti a loro . Quindi, quando questi pacchetti aumentano lentamente di temperatura, da zero gradi a oltre 4 ° C, affondano e nuovi pacchetti occupano posizioni adiacenti al ghiaccio. Il ciclo si ripete finché cè il ghiaccio.

Ora, mentre quei pacchetti di ghiaccio affondano, ottengono più energia termica dai pacchetti dacqua con cui entrano in contatto durante la discesa. Questo, insieme agli effetti viscosi dellacqua, si traduce in un lieve “riscaldamento” dei pacchetti che affondano.

Ora poiché si riscaldano un po , tendono a risalire indietro . Tornati in alto, si raffreddano e affondano di nuovo. Questo processo si ripete finché il ghiaccio rimane nellacqua.

Fai un passo indietro e vedrai che la metà del la tazza dovrebbe essere fredda, la parte inferiore della tazza dovrebbe essere più fredda e la parte superiore della tazza dovrebbe essere più fredda .

Quindi, anche se i cubetti di ghiaccio non stanno effettivamente toccando le tue labbra, scoprirai che sorseggiare lacqua in alto è più freddo che aspirare lacqua dal basso attraverso un paglia.

La convezione per produrre uniformità dipende da una serie di fattori nebulosi:

• Quanto ghiaccio?
• Quanto è alto il bicchiere?
• Diametro del vetro?
• Il “bicchiere” è davvero un bicchiere di carta o di vetro, un bicchiere di polistirolo o forse un tazza di metallo?
• Temperatura iniziale dellacqua.
• Massa dacqua a massa di ghiaccio.

Lessenza è questa. I laghi non si congelano in inverno. Senza mescolarsi, lacqua del lago forma strati che si mescolano molto, molto lentamente. Quindi il ghiaccio ghiacciato galleggia sopra il lago.

Quindi, senza mescolarsi, lacqua a è probabile che il labbro sia più freddo del liquido sul fondo del bicchiere.

MODIFICA – Questo è un esperimento che puoi fare facilmente a casa. Riempi un grande bicchiere trasparente (un vero bicchiere bicchiere …) riempire per circa 2/3 con acqua del rubinetto e aggiungere il colorante alimentare mescolando per rendere il liquido abbastanza scuro, quindi aggiungere abbastanza ghiaccio da riempire il bicchiere senza mescolare e lasciare riposare il bicchiere su un piano di lavoro solido fino a quando il ghiaccio si scioglie. (Bel esperimento da eseguire durante la notte …) Poiché lacqua si è stratificata, lo strato dacqua sopra sarà di colore più chiaro rispetto allo strato sul fondo.

Il calore scorre per irraggiamento, conduzione e convezione. Innanzitutto, devo cavillare sul termine “acqua ghiacciata”. Lacqua ghiacciata può contenere o meno ghiaccio. Ciò che chiaramente implica è che t lacqua è a 0 ° C. Si consideri un sistema in cui il flusso daria è minimo (quindi una conduzione aria-acqua minima). Si consideri un sistema in cui lacqua (qui acqua = acqua liquida) è a 0 °. Il ghiaccio viene generalmente creato tra -15 ° F e + 25 ° F, a seconda del congelatore. È in tutti i casi inferiore a 0 ° C (ovviamente). Ora cosa succede in un caso ideale quando metto un “pezzettino” di ghiaccio nellacqua a 0 ° C? Sì, lacqua si congela tutta. Ovviamente, poiché il mondo reale non è continuo, questo non accadrà davvero ed è possibile costruire un sistema in cui acqua e ghiaccio siano in equilibrio a 0 ° C – ma non è sicuramente “facile”. sopra per mostrarti che non sei riuscito a specificare adeguatamente il tuo sistema. Le masse e le temperature dellacqua e del ghiaccio contano . Così come la temperatura dellaria, la temperatura del contenitore e la temperatura del banco / tavolo. Con un contenitore sufficientemente isolante, devi ancora preoccuparti del flusso di massa (correnti) che hai dato allacqua versandola. (Queste correnti possono richiedere ore e forse giorni per dissolversi completamente, anche in condizioni quasi isotermiche!) E ovviamente la forma dei pezzi di ghiaccio è importante. Considera un tubo capillare (perfettamente isolante) e un vassoio poco profondo con la stessa capacità di volume totale. Il flusso di massa e il flusso termico saranno molto diversi. I calcoli idrodinamici possono essere (e quasi sono sempre estremamente difficili. Lacqua non può essere più fredda di 0 ° (ignorando il super raffreddamento). Ovviamente deve avvenire a contatto con il ghiaccio. Ma considera una tazza cilindrica di 10 cm di diametro (id) Pensi che la risposta sarebbe diversa se mettessi un cubetto di ghiaccio da 1 cm ³ in 1 L dacqua in quella tazza OPPURE se mettessi un Disco spesso 1 cm con un diametro (od) di 9,9 cm nella tazza? Sì, sistema sotto specificato, alla grande. Un altro evidente pezzo mancante è quello che intendi per temperatura. Non nel senso che “non sia una proprietà ben definita (macroscopica!), Ma nel senso che stai (probabilmente) pensando alla temperatura media su un certo volume. Come ho detto, lacqua più fredda si troverà” a contatto “con il ghiaccio, ma questo non” significa che lintera superficie sarà in media più fredda degli 0,1 cm inferiori della tazza poiché ovviamente dipende da cose che “non hai specificato. Immagina come un finale “chiave inglese” nel tentativo di rispondere, che la tazza contiene un inserto e che linserto metallico è stato raffreddato a -200 ° C. Si versa lacqua a 0 ° C, insieme a una quantità non specificata di ghiaccio e si ottiene un po di congelamento dellacqua su tutta la superficie interna della tazza. Ora, anche se includiamo questo ghiaccio quando specifichiamo il volume e la temperatura del ghiaccio, pensi davvero che questo ghiaccio avrebbe lo stesso effetto dei cubi galleggianti? Oppure considera un anello di ghiaccio invece di un disco, e che dire della rugosità superficiale del rivestimento delle coppe?

Quando la temperatura scende, lenergia cinetica diminuisce, il volume diminuisce e poi la densità aumenta. Quindi il solido è lavandino e il liquido è sopra.

È relativo allacqua ma solo fino a 4 ° C. Quando cè acqua a 10 ° C, la temperatura dellacqua scende a 9 ° C, lacqua a 9 ° C scende a causa della maggiore densità.

Ma quando prendiamo 4 ° C la temperatura dellacqua scende a 3 ° C. È diverso. Sai che ci sono legami idrogeno tra ciascuna molecola $ \ ce {H2O} $. La forma della molecola $ \ ce {H2O} $ è “piegata”. I due atomi di idrogeno possono formare due legami idrogeno con due atomi di ossigeno e due coppie solitarie di elettroni dellatomo di ossigeno formano due legami idrogeno con altre due molecole di due idrogeni. Quindi può avere una forma tetraedrica.Sai che il solido ha una struttura regolare. Lacqua (liquida) non ha una forma regolare, ci sono molecole e legami idrogeno ovunque in modo irregolare. Quando la temperatura scende da 4 ° C rispetto alla forma regolare le molecole $ \ ce {H2O} $ tetraedriche cercano di aumentare la distanza e di assumere una forma regolare. Quindi, il volume aumenta e la densità diminuisce. Quindi, dopo 4 ° C fino a temperature inferiori (3, 2, 1, 0, −1) (lacqua) galleggia sulla parte superiore.

Affinché lacqua fredda scenda sul fondo del bicchiere, deve essere più fredda dellacqua in fondo che è spostato. Quindi sì, lacqua più fredda sarà in cima.