유리 잔에 얼음물을 채운다 고 가정 해 보겠습니다. 얼음이 녹 으면 주위의 물을 식 힙니다. 차가운 물 이 뜨거운 물보다 밀도가 높다는 점을 감안할 때, 나는 차가운 물이 바닥으로 가라 앉을 것이라고 추측 할 수 있지만… 한편, 얼음은 여전히 녹고 주변의 물에 차가워집니다.
그러면 빨대로 얼음물을 마시는 것이 유리 잔 끝에서 마시는 것보다 더 차갑거나 따뜻한 물을 얻을 수 있을까요?
댓글
- en.wikipedia.org/wiki/Grashof_number
- 음,하지만 얼음이 정상 근처에 있습니다 … ' 바로 주변의 물이 가장 먼 물보다 차갑지 않아야합니까? 찬물은 '이어서 가라 앉는 데 시간이 걸립니다 …
답변
흥미로운 질문입니다.
먼저 몇 가지 사항 :
얼음이 녹 으면 얼음이 주위에 물이 있습니다.
기술적으로 물이 식기 때문에 얼음이 녹습니다 . 처음에는 우스꽝스럽게 들릴지 모르지만, 얼음이 주변에서 “열”(에너지)을 끌어 오기 때문에 얼음이 녹는다는 사실을 고려해야합니다. “주변”은 주변을 둘러싸고있는 공기와 물입니다 (그러나 물은 “더 나은 열 에너지 전도체이기 때문에 더 중요합니다).
냉수가 뜨거운 물보다 밀도가 높다는 점을 감안할 때 냉수가 바닥으로 가라 앉을 것이라고 생각합니다.하지만 가라 앉으면 따뜻해져 밀도가 낮아집니다.
맞습니다. 찬물은 뜨거운 물보다 밀도가 있습니다 .하지만 너무 차갑지 않아야한다는 점에 유의하는 것이 좋습니다. 물의 온도가 4 ° C로 떨어지면 물의 밀도가 점차 증가합니다. 그러나 온도가 4 ° C 아래로 떨어지면 물의 밀도가 실제로 감소 하기 시작하고이 범위의 물은 실온 범위의 물 위에 쉽게 “부유”합니다.
한편, 얼음은 여전히 녹고 주변의 물에 추위를 발산합니다.
얼음은 얼음을 발산 하지 않습니다. “추위”보다는 물의 “열”(열 에너지)을 입력 합니다.
질문으로 돌아 가기
Max가 그의 답변에서 언급했듯이, 당신은 우리가 다루는 물리적 매개 변수를 나타내는 데 특히 좋은 일을했습니다. 정말 중요한 것은 얼음의 온도, 물의 온도입니다. 얼음을 넣습니다)와 사용 된 얼음의 양 (적어도 물과 관련하여).
하지만 250ml 스티로폼에서 물을 마시고 있다고 가정합니다 (원래 실온에서). 또는 플라스틱 컵, 두 개의 (보통 크기) 얼음을 사용했고, 얼음을 넣은 지 1 분 후에 물을 마시기 시작했습니다. 물은 더 차가워 야합니다.
컵에있는 물의 분, 상상의 층 / 지역 / 패킷을 고려하십시오 (이에 대해 물 “패킷 “보다 물 분자가 이해하기 쉽습니다). 또한 컵에 상단, 중간 및 하단의 세 영역 (조잡하게 구분 된)이있는 것으로 생각하십시오.
얼음 조각 바로 옆에있는 물 패킷은 얼음의 가장 바깥 쪽 영역과 열 평형을 이룹니다. 그러나 이러한 패킷은 곧 그들 에 인접한 다른 물 패킷으로부터 일부 열 에너지를 얻습니다. 따라서 이러한 패킷은 0도에서 4 ° C까지 온도가 서서히 상승함에 따라 가라 앉고 새로운 패킷이 얼음에 인접한 위치를 차지합니다. 이주기는 얼음이있는 한 계속 반복됩니다.
이제 얼음 덩어리가 가라 앉으면 서 내려가는 동안 접촉하는 물 덩어리에서 더 많은 열 에너지를 얻습니다. 이것은 물의 점성 효과와 결합하여 가라 앉는 패킷을 약간 “워밍업”합니다.
이제 약간 예열되기 때문에 백업하는 경향이 상승 합니다. . 맨 위로 돌아 가면 식히고 다시 가라 앉습니다.이 과정은 얼음이 물에 남아있는 한 반복됩니다.
물러 서면 중간 부분이 컵은 차가워 야하고, 컵의 바닥은 차가워 야 , 컵의 윗부분은 가장 차갑습니다 .
얼음이 실제로 입술에 닿지 않더라도 바닥에서 물을 빨아들이는 것보다 윗부분의 물을 마시면 더 차가워집니다. 빨대.
답변
균일 성을 생성하는 대류는 여러 모호한 요인에 따라 달라집니다.
- 얼음이 얼마나 되나요?
- 유리의 높이는 얼마입니까?
- 유리의 지름은 무엇입니까?
- 유리는 실제로 유리 또는 종이컵, 스티로폼 컵 또는 금속 컵?
- 물의 초기 온도
- 물의 질량에서 얼음의 질량
요점은 이것입니다. 호수는 겨울에 고형으로 얼지 않습니다. 저어주지 않으면 호수 물은 매우 천천히 섞이는 층을 형성합니다. 따라서 얼어 붙은 얼음은 호수 위에 떠 있습니다.
입술은 유리 바닥에있는 액체보다 차가울 수 있습니다.
편집-이것은 집에서 쉽게 할 수있는 실험입니다. 큰 투명 유리 (진짜 유리 유리 …) 수돗물을 2/3 정도 채운 다음 식용 색소를 저으면서 액체를 상당히 어둡게 만듭니다. 그런 다음 충분한 얼음을 넣어 저어주지 않고 유리를 채우고 얼음이 녹을 때까지 유리를 단단한 카운터 위에 둡니다. (하룻밤 동안 진행하는 좋은 실험입니다 ….) 물이 층을 이루었 기 때문에 상단의 물 층이 하단의 층보다 눈에 띄게 밝은 색상이 될 것입니다.
답변
열은 복사, 전도 및 대류에 의해 흐릅니다. 먼저 “얼음물”이라는 용어에 대해 고민해야합니다. 얼음물은 얼음을 포함 할 수도 있고 포함하지 않을 수도 있습니다. 분명히 의미하는 바는 그 t 물은 0 ° C입니다. 공기 흐름이 최소 인 시스템을 고려하십시오 (따라서 공기-물 전도가 최소화 됨). 물 (여기서는 물 = 액체 물)이 0 ° 인 시스템을 고려하십시오. 얼음은 일반적으로 냉동고에 따라 -15 ° F에서 + 25 ° F 사이에서 생성됩니다. 모든 경우에 0 ° C 미만입니다 (분명히). 이제 0 ° C의 물에 “작은”얼음을 넣었을 때 이상적인 경우는 어떻게됩니까? 네, 물이 모두 얼어 요. 물론 현실 세계가 연속적이지 않기 때문에 이것은 실제로 일어나지 않을 것이며 물과 얼음이 0 ° C에서 평형을 이루는 시스템을 구축하는 것이 가능합니다. 그러나 그것은 확실히 “쉬운”것은 아닙니다. 시스템을 적절하게 지정하지 못했음을 보여줍니다. 물과 얼음 물질 의 질량과 온도입니다. 공기 온도, 용기 온도, 벤치 / 테이블 온도도 마찬가지입니다. 충분히 단열 된 용기를 사용하면 물을 부어서 물에주는 질량 흐름 (흐름)에 대해 걱정해야합니다. (이러한 흐름은 거의 등온 조건에서도 완전히 소멸되는 데 몇 시간에서 며칠이 걸릴 수 있습니다!) 그리고 물론 얼음 조각의 모양이 중요합니다. (완벽하게 절연 된) 모세관과 동일한 총 부피 용량을 가진 얕은 트레이를 고려하십시오. 질량 흐름과 열 흐름은 훨씬 다를 것입니다. 유체 역학적 계산은 다음과 같을 수 있습니다. 물은 0 °보다 더 차가울 수 없습니다 (과냉각 무시). 그것은 분명히 얼음과의 접촉에서 발생해야합니다. 하지만 지름이 10cm 인 원통형 컵을 생각해보십시오. (id) 그 컵의 물 1L에 1cm 3 얼음을 넣었거나 컵에 직경 (od) 9.9cm의 1cm 두께 디스크? 예, 제대로 지정되지 않은 시스템입니다. 또 다른 분명한 누락 부분은 온도가 의미하는 바입니다. 그것이 잘 정의 된 (거시적!) 속성이 아니라는 의미에서가 아니라 (아마도) 어느 정도 부피에 대한 평균 온도를 생각하고 있다는 의미입니다. 제가 말했듯이 가장 차가운 물은 “얼음이 포함되어 있지만, 지정하지 않은 항목에 따라 달라지기 때문에 전체 표면이 컵 바닥 0.1cm보다 평균 더 차가워지는 것은 아닙니다. 컵에 삽입물이 들어 있고 금속 삽입물이 -200 ° C로 냉각되었다는 대답을하려는 “원숭이 렌치”입니다. 0 ° C의 물을 불특정 한 양의 얼음과 함께 부으면 컵의 내부 표면 전체에 물이 얼어 붙습니다. 이제 얼음의 부피와 온도를 지정할 때이 얼음을 포함하더라도이 얼음이 떠 다니는 큐브와 동일한 효과가있을 것이라고 생각하십니까? 아니면 링을 고려하십시오. 디스크 대신 얼음 대신 컵 라이닝의 표면 거칠기는 어떻습니까?
Answer
온도가 내려 가면 운동 에너지가 감소하고 부피가 감소한 다음 밀도가 올라갑니다. 따라서 고체는 가라 앉고 액체는 위에 있습니다.
물과 관련이 있지만 최대 4 ° C까지만 가능합니다. 물이 10 ° C 일 때 물의 온도는 9 ° C로 내려 가고 9 ° C의 물은 밀도가 높아져 내려갑니다.
그러나 우리가 4 ° C를 취하면 수온은 3 ° C로 내려갑니다. 다릅니다. 각 $ \ ce {H2O} $ 분자 사이에 수소 결합이 있다는 것을 알고 있습니다. $ \ ce {H2O} $ 분자의 모양은 “구부러져”있습니다. 두 개의 수소 원자는 두 개의 산소 원자로 두 개의 수소 결합을 만들 수 있고, 산소 원자의 두 개의 고독한 전자 쌍은 다른 두 분자의 두 개의 수소와 두 개의 수소 결합을 만들어 4 면체 모양을 가질 수 있습니다.솔리드가 규칙적인 구조를 가지고 있다는 것을 알고 있습니다. (액체) 물은 규칙적인 모양이없고, 분자와 수소 결합이 불규칙하게 어디에나 있습니다. 온도가 4 ° C에서 규칙적인 모양으로 내려 가면 4 면체 $ \ ce {H2O} $ 분자는 거리를 늘리고 규칙적인 모양이됩니다. 따라서 부피는 증가하고 밀도는 감소합니다. 그런 다음 4 ° C에서 온도가 내려 가면 (3, 2, 1, 0, −1) (물)이 맨 위에 떠 있습니다.
답변
찬물이 유리 바닥으로 가라 앉기 위해서는 물보다 더 차갑습니다. 변위되는 바닥에. 그렇습니다. 가장 차가운 물이 맨 위에있을 것입니다.