角氷が入ったコップ一杯の水。 'の水が最も冷たい場所。上か下か？

興味深い質問です！

最初にいくつかのこと：

氷が溶けると、氷が冷えます周囲の水。

技術的には、水が冷えるため、アイスキューブは溶けます。これは最初はばかげているように聞こえるかもしれませんが、氷が周囲から「熱」（エネルギー）を引き出しているため、氷が溶けるという事実を考慮する必要があります。 「周囲」はそれを取り巻く空気と水です（ただし、水は「熱エネルギーのより良い伝導体であるため」より重要です）。

冷水はお湯よりも密度が高いので、冷水は底に沈むと思いますが、沈むにつれて暖かくなり、密度が低下します。

そうです、冷水はお湯よりも密度が高いです。 ですが、冷水になりすぎないように注意してください。 水の温度が4°Cに下がると、水の密度は徐々に増加します。ただし、温度が4°Cを下回ると、水の密度は実際に減少し始め、この範囲の水は、室温範囲の水の上に簡単に「浮き」ます。

その間、氷はまだ溶けており、周囲の水に冷たさを放っています。

氷はオフしていません「冷たい」というよりは、水の「熱」（熱エネルギー）が 必要です。

質問に戻ります。

マックスが彼の答えで述べているように、あなたは私たちが扱っている物理的パラメータを示すのに特に良い仕事をしました; 本当に重要なものは氷の温度、水の温度です（あなたが氷を入れます）と使用した氷の量（少なくとも水に関して）。

ただし、250 mlの発泡スチロールから（元々は室温で）水を飲んでいると仮定します。またはプラスチックカップで、2つの（通常サイズの）角氷を使用し、角氷に浸した1分後に水を飲み始めた場合、水は下部よりも上部。

カップ内の水の微細な想像上の層/領域/パケットを検討します（これを水「パケット」の観点から考えます） 「水分子よりも理解しやすい）。また、カップには、上部、中央、下部の3つの（大まかに区切られた）領域があると考えてください。

角氷のすぐ隣にある水のパケットは、氷の最も外側の領域と熱平衡状態にあります。ただし、これらのパケットはすぐに、それらに隣接する他の水パケットからいくらかの熱エネルギーを獲得します。 したがって、これらのパケットの温度が0度から4°Cを超えるまでゆっくりと上昇すると、パケットは沈み、新しいパケットが氷に隣接する場所を占有します。このサイクルは、氷がそこにある限り繰り返されます。

氷が沈むにつれて、氷が降りる途中で接触する水のパケットからより多くの熱エネルギーを獲得します。これは、水の粘性効果と相まって、沈むパケットの穏やかな「ウォーミングアップ」をもたらします。

少しウォームアップするため、上昇する傾向があります。 。上部に戻ると、「冷却されて再び沈みます。氷が水中に残っている限り、このプロセスが繰り返されます。

一歩下がると、中央にあることがわかります。カップは冷たく、カップの底は冷たく、カップの上部は最も冷たい。

したがって、角氷が実際に唇に触れていなくても、上部の水をすすりながら、下部から水を吸い出すよりも冷たいことがわかります。ストロー。

均一性を生み出すための対流は、いくつかのあいまいな要因によって異なります。

• 氷はいくらですか？
• ガラスの高さはどれくらいですか？
• ガラスの直径は？
• 「ガラス」は本当にガラスまたは紙コップ、発泡スチロールのコップ、またはおそらく金属製のコップ？
• 水の初期温度。
• 水の塊から氷の塊まで。

要点はこれです。湖は冬に固く凍ることはありません。攪拌しないと、湖の水は非常にゆっくりと混ざり合う層を形成します。そのため、凍った氷は湖の上に浮かんでいます。

つまり、攪拌しないと、唇はガラスの底にある液体よりも冷たい可能性があります。

編集-これは自宅で簡単にできる実験です。大きな透明なガラス（本物のガラス）を満たします。ガラス…）水道水で約2/3を満たし、攪拌しながら食品の着色を加えて液体をかなり暗くします。次に、攪拌せずにガラスを満たすのに十分な氷を追加します。氷が溶けるまでガラスを固いカウンターに置きます。 （一晩実行するのに良い実験です….）水が層状になっているため、上の水の層は下の層よりも色が目立って明るくなります。

熱は放射、伝導、対流によって流れます。まず、「氷の水」という用語をいじくりまわす必要があります。氷の水には氷が含まれる場合と含まれない場合があります。そのt水は0°Cです。空気の流れが最小限である（したがって、空気と水の伝導が最小限である）システムを考えてみます。水（ここでは水=液体の水）が0°にあるシステムを考えてみましょう。氷は通常、冷凍庫に応じて-15°F〜 + 25°Fで作成されます。すべての場合において、0°C未満です（明らかに）。さて、0°Cの水に「ほんの少し」の氷を入れると、理想的なケースではどうなりますか？うん、水はすべて凍る。もちろん、現実の世界は連続していないので、これは実際には起こりません。水と氷が0°Cで平衡状態にあるシステムを構築することは可能ですが、それは間違いなく「簡単」ではありません。上記は、システムを適切に指定できなかったことを示しています。水と氷の質量と温度物質。空気の温度、コンテナの温度、ベンチ/テーブルの温度も同様です。十分に断熱された容器を使用すると、水を注ぐことによって水に与えた質量流量（電流）について心配する必要があります（これらの電流は、ほぼ等温条件下でも、完全に消失するまでに数時間、場合によっては数日かかる場合があります！）もちろん、氷片の形状は重要です。（完全に断熱された）キャピラリーチューブと同じ総体積容量の浅いトレイを考えてみましょう。質量流量と熱流は大きく異なります。流体力学的計算は次のようになります（ほぼ常に）非常に困難です。水は0°よりも冷たくなることはありません（過冷却を無視）。それは明らかに氷と接触して発生しなければなりません。しかし、直径10 cmの円筒形のカップを考えてみましょう（id）そのカップの1Lの水に1cm ³ のアイスキューブを置いた場合、またはを置いた場合、答えは異なると思いますかカップに直径（外径）9.9cmの厚さ1cmの円盤？ええ、システムが指定されていません。もう1つの明らかな欠落部分は、温度の意味です。明確に定義された（巨視的！）特性ではなく、（おそらく）ある体積の平均温度を考えているという意味ではありません。私が言ったように、最も冷たい水は「接触している」ことがわかります。 「氷の場合ですが、これは、明らかに指定していないものに依存するため、表面全体がカップの底の0.1cmよりも平均冷たくなるという意味ではありません。」ファイナルとして想像してみてください。これに答えようとする「モンキーレンチ」は、カップにインサートが含まれていて、金属製のインサートが-200°Cに冷却されていることです。0°Cの水を不特定の量の氷と一緒に注ぐと、カップの内面全体の水が凍る氷の体積と温度を指定するときにこの氷を含めても、この氷はフローティングキューブと同じ効果があると本当に思いますか？またはリングを検討してくださいディスクの代わりに氷を使用し、カップの裏地の表面の粗さはどうですか？

温度が下がると、運動エネルギーが減少し、体積が減少してから密度が増加します。したがって、固体は沈み、液体は上にあります。

水に関連していますが、4°Cまでしかありません。 10°Cの水があると、水の温度は9°Cに下がり、9°Cの水は密度が高くなるために下がります。

しかし、4°Cを取ると水温は3°Cに下がります。違います。各$ \ ce {H2O} $分子間に水素結合があることを知っています。 $ \ ce {H2O} $分子の形状は「曲がっている」。 2つの水素原子は2つの酸素原子と2つの水素結合を作ることができ、酸素原子の2つの孤立した電子ペアは別の2つの分子の2つの水素と2つの水素結合を作ることができます。あなたは固体が規則的な構造を持っていることを知っています。 （液体）水は規則的な形をしておらず、どこにでも不規則に分子と水素結合があります。 温度が通常の形状に関して4°Cから下がると、四面体$ \ ce {H2O} $分子は距離を伸ばし、通常の形状になります。 そのため、音量が上がり、密度が下がります。 次に、4°Cから低温（3、2、1、0、-1）になると、（水）が上に浮きます。