Anta at jeg fyller et glass med isvann. Når isen smelter, kjøler den vannet rundt den. Gitt at kaldt vann er tettere enn varmt vann, vil jeg anta at kaldt vann vil synke til bunnen … men det vil varme når det synker og reduserer tettheten. I mellomtiden smelter isen fremdeles og gir fra seg kulden til det omkringliggende vannet.
Så vil drikke isvann med et sugerør gi deg kjøligere eller varmere vann enn å drikke fra leppene på glasset? / p>
Kommentarer
- no.wikipedia.org/wiki/Grashof_number
- Hm, men isen er nær toppen … burde ikke ‘ t vannet umiddelbart omgir det være kaldere enn vannet lengst fra det? Kaldt vann er ikke ‘ t fører, det tar litt tid å synke …
Svar
Interessant spørsmål!
Noen få ting først:
Når isen smelter, kjøler den ned vann rundt det.
Teknisk sett smelter isterningen fordi vannet avkjøles. Dette kan høres latterlig ut i starten, men du må vurdere det faktum at isen smelter fordi den har trukket «varme» (energi) fra omgivelsene. «Omgivelsene» er luften og vannet som omgir den (men vannet er viktigere siden det er en bedre leder av termisk energi).
Gitt at kaldt vann er tettere enn varmt vann, vil jeg anta at kaldt vann vil synke til bunnen … men det vil varme opp når det synker, og redusere tettheten.
Du har rett, kaldt vann er tettere enn varmt vann. Det er nyttig å merke seg at det ikke skal være for kaldt. Når vanntemperaturen synker til 4 ° C, øker vanntettheten gradvis. Men når temperaturen synker under 4 ° C, begynner vanntettheten faktisk å synke og vann i dette området «flyter» lett over vann i romtemperaturområdet.
I mellomtiden smelter isen fremdeles og gir kulden til det omkringliggende vannet.
Is gir ikke off det «kaldt», snarere tar det inn vannet «s» varme «(termisk energi).
Tilbake til spørsmålet ditt.
Som Max nevner i sitt svar, har du gjort en spesielt god jobb med å indikere hvilke fysiske parametere vi har å gjøre med; de virkelig viktige er temperaturen på isen, temperaturen på vannet (på det tidspunktet du legg isen i) og mengden is som brukes (i det minste med hensyn til vannet).
Men forutsatt at du drikker vann (opprinnelig ved romtemperatur) ut av et 250 ml styrofoam eller plastkopp, og du brukte to isbiter (i normal størrelse) og at du begynte å drikke vannet et minutt etter at du plukket i isbitene, vannet skulle være kaldere kl. toppen enn nederst.
Vurder små, imaginære lag / regioner / vannpakker i koppen (tenk på dette i form av vann «-pakker «i stedet for vannmolekyler er lettere å forstå). Tenk også på koppen som har tre (grovt avgrensede) regioner: Topp, midt og bunn.
Vannpakker rett ved siden av isbitene er i termisk likevekt med de ytterste områdene av isen. Imidlertid får disse pakkene snart litt termisk energi fra andre vannpakker som ligger ved siden av dem . Så når disse pakkene sakte stiger i temperatur, fra null grader til over 4 ° C, synker de og nye pakker opptar steder ved siden av isen. Syklusen gjentas så lenge isen er der.
Nå som disse pakkene med is synker, får de mer termisk energi fra pakkene med vann de kommer i kontakt med på vei ned. Dette, kombinert med de viskøse effektene av vann, resulterer i mild «oppvarming» av de synkende pakkene.
Nå som de varmer opp litt, har de en tendens til å stige opp igjen . Tilbake på toppen blir de avkjølt og synker igjen. Denne prosessen gjentas så lenge isen forblir i vannet.
Ta et skritt tilbake, og du vil se at midten av koppen burde være kald, bunnen av koppen burde være kaldere , og toppen av koppen er kaldeste .
Så selv om isbitene ikke berører leppene dine, vil du finne at du nipper til vannet på toppen for å være kaldere enn å suge ut vann fra bunnen gjennom en halm.
Svar
Konveksjonen for å produsere ensartethet avhenger av en rekke tåkefaktorer:
- Hvor mye is?
- Hvor høyt er glasset?
- Diameter på glasset?
- Er «glasset» virkelig et glass- eller papirbeger, styrofoam-kopp eller kanskje et metallkopp?
- Vannets opprinnelige temperatur.
- Vannmasse til ismasse.
Kjernen er dette. Innsjøene fryser ikke faste om vinteren. Uten omrøring danner innsjøvannet lag som blander seg veldig, veldig sakte. Så den frosne isen flyter på toppen av innsjøen.
Så uten å røre, vannet kl. leppen er sannsynligvis kaldere enn væsken i bunnen av glasset.
EDIT – Dette er et eksperiment du enkelt kan gjøre hjemme. Fyll et stort klart glass (et ekte glass glass …) ca 2/3 fulle med vann fra springen, og tilsett matfargestoffer under omrøring for å gjøre væsken ganske mørk. Tilsett deretter nok is til å fylle glasset uten å røre. La glasset sitte på en solid teller til isen smelter. (Fint eksperiment å løpe over natten ….) Fordi vannet har lagdelt, vil vannet laget på toppen være merkbart lysere i fargen enn laget på bunnen.
Svar
Varme strømmer av stråling, ledning og konveksjon. Først må jeg kvise over begrepet «isvann». Isvann kan inneholde eller ikke is. Det som det tydelig innebærer er at t vannet er ved 0 ° C. Tenk på et system der det er minimal luftstrøm (derav minimal luft-vannledning). Tenk på et system der vannet (her vann = flytende vann) er på 0 °. Is blir vanligvis til mellom -15 ° F og + 25 ° F, avhengig av fryseren. Det er i alle tilfeller under 0 ° C (åpenbart). Hva skjer nå i et ideelt tilfelle når jeg legger en «liten bit» is i vann ved 0 ° C? Yup, vannet fryser alt. Nå, selvfølgelig, fordi den virkelige verden ikke er kontinuerlig, vil dette ikke skje, og det er mulig å konstruere et system der vann og is er i likevekt ved 0 ° C – men det er definitivt ikke «lett». Jeg nevner ovenfor for å vise deg at du ikke har spesifisert systemet ditt tilstrekkelig. Massene og temperaturene i vannet og isen materie . Det samme gjør lufttemperaturen, temperaturen på beholderen og temperaturen på benken / bordet. Med en tilstrekkelig isolerende beholder må du fortsatt bekymre deg for massestrømmen (strømmen) du har gitt vannet ved å helle det. (Disse strømningene kan ta timer og muligens dager å forsvinne helt – selv under nær isotermiske forhold!) Og selvfølgelig har formen på isbitene betydning. Tenk på et (perfekt isolerende) kapillarrør og et grunt skuff med samme totale volumkapasitet. Massestrømmen og den termiske strømmen vil være mye forskjellige. Hydrodynamiske beregninger kan være (og nesten alltid er) enormt vanskelige. Vannet kan ikke være noe kaldere enn 0 ° (ignorerer superkjøling). Det må helt klart skje i kontakt med isen. Men vurder en sylindrisk kopp 10 cm i diameter (id) Tror du at svaret ville være annerledes hvis jeg plasserte en 1 cm 3 isbit i 1 liter vann i koppen ELLER hvis jeg plasserte en 1 cm tykk skive med en diameter (od) på 9,9 cm i koppen? Ja, under-spesifisert system, big time. Et annet åpenbart manglende stykke er hva du mener med temperatur. Ikke i den forstand at det ikke er en veldefinert (makroskopisk!) Egenskap, men i den forstand at du (sannsynligvis) tenker på gjennomsnittstemperaturen over noe volum. Som sagt vil det kaldeste vannet bli funnet «i kontakt «med isen, men dette betyr ikke at hele overflaten vil være i gjennomsnitt kaldere enn de nederste 0,1 cm i koppen, siden det åpenbart avhenger av ting du ikke har spesifisert. Tenk deg som en endelig «apenøkkel» i forsøket på å svare på dette, at koppen inneholder en innsats og at metallinnsatsen er avkjølt til -200 ° C. Du heller 0 ° C-vannet i, sammen med noe uspesifisert mengde is og du får litt frysing av vannet på hele innsiden av koppen. Selv om vi inkluderer denne isen når vi spesifiserer volumet og temperaturen på isen, tror du virkelig at denne isen ville ha samme effekt som flytende kuber? Eller vurdere en ring av is i stedet for en disk, og hva med overflatens ujevnhet i koppens fôr?
Svar
Når temperaturen går ned, reduseres kinetisk energi, volumet reduseres og tettheten øker. Derfor er fast vask og væske på toppen.
Det er relatert til vannet, men bare opp til 4 ° C. Når det er vann 10 ° C, vil vanntemperaturen gå ned til 9 ° C, og 9 ° C vannet vil gå ned på grunn av mer tetthet.
Men når vi tar 4 ° C, går vanntemperaturen ned til 3 ° C. Det er forskjellig. Du vet at det er hydrogenbindinger mellom hvert $ \ ce {H2O} $ -molekyl. Formen på $ \ ce {H2O} $ -molekylet er «bøyd». De to hydrogenatomene kan danne to hydrogenbindinger med to oksygenatomer, og to ensomme elektronpar av oksygenatomet lager to hydrogenbindinger med ytterligere to molekyler to hydrogener. Da kan den ha en tetrahedral form.Du vet at solid har en jevn struktur. (Flytende) vann har ingen vanlig form, det er molekyler og hydrogenbindinger overalt uregelmessig. Når temperaturen går ned fra 4 ° C når det gjelder den vanlige formen, prøver tetraedriske $ \ ce {H2O} $ -molekyler å øke avstanden og komme til en vanlig form. Så volumet øker og tettheten går ned. Så etter 4 ° C til nedre temperaturer (3, 2, 1, 0, −1) flyter (vannet) på toppen.
Svar
For at kaldt vann skal synke til bunnen av glasset, har det vært kaldere i bunnen som er forskjøvet. Så ja, det kaldeste vannet vil være på toppen.