Een glas water met ijsblokjes erin. Waar ' is het water het koudst; bovenaan of onderaan?

Interessante vraag!

Eerst een paar dingen:

Terwijl het ijs smelt, koelt het de water eromheen.

Technisch gezien smelt het ijsblokje omdat het water afkoelt. Dit klinkt in eerste instantie misschien belachelijk, maar je moet er rekening mee houden dat het ijs smelt omdat het “warmte” (energie) uit zijn omgeving heeft gehaald. De “omgeving” is de lucht en het water eromheen (maar het water is belangrijker omdat het “een betere geleider van thermische energie is).

Aangezien koud water een hogere dichtheid heeft dan warm water, zou ik aannemen dat het koude water naar de bodem zou zinken … maar het zou opwarmen als het zinkt, waardoor de dichtheid afneemt.

Je hebt gelijk, koud water is dichter dan heet water. Het is echter handig om op te merken dat het niet te koud mag zijn. Naarmate de temperatuur van water daalt tot 4 ° C, neemt de dichtheid van water geleidelijk toe. Als de temperatuur echter onder 4 ° C daalt, begint de dichtheid van water feitelijk af te nemen en water in dit bereik “drijft” gemakkelijk boven water in het kamertemperatuurbereik.

Ondertussen smelt het ijs nog steeds en geeft het zijn koude af aan het omringende water.

IJs geeft geen af zijn “koud”, eerder, het neemt in de “warmte” van het water (thermische energie).

Terug naar uw vraag.

Zoals Max in zijn antwoord vermeldt, heb je bijzonder goed aangegeven met welke fysieke parameters we te maken hebben; de echt belangrijke zijn de temperatuur van het ijs, de temperatuur van het water (op het moment dat je plaats het ijs erin) en de hoeveelheid gebruikt ijs (tenminste met betrekking tot het water).

Maar ervan uitgaande dat je water drinkt (oorspronkelijk op kamertemperatuur) uit een 250 ml piepschuim of plastic beker, en je hebt twee (normale) ijsblokjes gebruikt en dat je het water begon te drinken een minuut nadat je in de ijsblokjes had gedompeld, het water zou kouder moeten zijn bij bovenaan dan onderaan.

Beschouw minieme, denkbeeldige lagen / gebieden / pakketjes water in de beker (denk hier aan in termen van water “pakketten “in plaats van watermoleculen is gemakkelijker te begrijpen). Denk er ook aan dat de beker drie (grof afgebakende) gebieden heeft: boven, midden en onder.

Waterpakketten direct naast de ijsblokjes zijn in thermisch evenwicht met de buitenste delen van het ijs. Deze pakketten krijgen echter al snel wat thermische energie van andere waterpakketten die naast hen liggen. Dus als de temperatuur van deze pakketten langzaam stijgt, van nul graden tot meer dan 4 ° C, zinken ze en nemen nieuwe pakketten locaties in naast het ijs. De cyclus herhaalt zich zolang het ijs er is.

Nu die pakjes ijs zinken, krijgen ze meer thermische energie uit de pakjes water waarmee ze op hun weg naar beneden in contact komen. Dit, in combinatie met de stroperige effecten van water, resulteert in het milde “opwarmen” van de zinkende pakketten.

Nu ze een beetje opwarmen, hebben ze de neiging om weer op te stijgen . Bovenaan worden ze afgekoeld en zinken ze weer. Dit proces herhaalt zich zolang het ijs in het water blijft.

Doe een stap terug en je zult zien dat het midden van de beker moet koud zijn, de onderkant van de beker moet kouder zijn, en de bovenkant van de beker is de koudste .

Dus zelfs als de ijsblokjes uw lippen niet echt aanraken, zult u merken dat het kouder is aan het water drinken dan via een stro.

De convectie om uniformiteit te produceren hangt af van een aantal vage factoren:

• Hoeveel ijs?
• Hoe hoog is het glas?
• Diameter van het glas?
• Is het glas echt een glazen of kartonnen beker, piepschuim beker of misschien een metalen beker?
• Begintemperatuur van het water.
• Massa van water tot massa van ijs.

De kern is dit. Meren bevriezen niet vast in de winter. Zonder te roeren vormt het water van het meer lagen die heel, heel langzaam mengen. Dus het bevroren ijs drijft op het meer.

Dus zonder te roeren vormt het water op de lip is waarschijnlijk kouder dan de vloeistof op de bodem van het glas.

EDIT – Dit is een experiment dat je gemakkelijk thuis kunt doen. Vul een groot helder glas (een echt glas glas …) ongeveer 2/3 vol met kraanwater en voeg al roerend kleurstof toe om de vloeistof vrij donker te maken Voeg vervolgens voldoende ijs toe om het glas zonder roeren te vullen Laat het glas op een stevig aanrecht staan tot het ijs smelt. (Leuk experiment om s nachts te draaien ….) Omdat het water gelaagd is, zal de waterlaag bovenop merkbaar lichter van kleur zijn dan de laag op de bodem.

Warmtestromen door straling, geleiding en convectie. Ten eerste moet ik kibbelen over de term “ijswater”. IJswater kan wel of niet ijs bevatten. Wat het duidelijk impliceert is dat t Het water is op 0 ° C. Overweeg een systeem met een minimale luchtstroom (dus minimale lucht-watergeleiding). Beschouw een systeem waarbij het water (hier water = vloeibaar water) op 0 ° staat. IJs wordt meestal gemaakt tussen -15 ° F en + 25 ° F, afhankelijk van de vriezer. Het is in alle gevallen lager dan 0 ° C (uiteraard). Wat gebeurt er in het ideale geval als ik een “klein beetje” ijs in water van 0 ° C doe? Ja, het water bevriest allemaal. Omdat de echte wereld niet continu is, zal dit natuurlijk niet gebeuren en is het mogelijk om een systeem te construeren waarin water en ijs in evenwicht zijn bij 0 ° C – maar het is zeker niet ‘gemakkelijk’. hierboven om u te laten zien dat u uw systeem niet adequaat hebt gespecificeerd. De massas en temperaturen van het water en het ijs zijn van belang . Net als de temperatuur van de lucht, de temperatuur van de container en de temperatuur van de bank / tafel. Met een voldoende isolerende container moet je je nog steeds zorgen maken over de massastroom (stromen) die je aan het water hebt gegeven door het te gieten. (Het kan uren en mogelijk dagen duren voordat deze stromen volledig zijn verdwenen – zelfs onder bijna isotherme omstandigheden!) natuurlijk is de vorm van de stukken ijs van belang. Denk aan een (perfect isolerende) capillaire buis en een ondiepe bak met dezelfde totale volumecapaciteit. De massastroom en de thermische stroming zullen heel verschillend zijn. Hydrodynamische berekeningen kunnen (en bijna zijn altijd) enorm moeilijk. Het water mag niet kouder zijn dan 0 ° (onderkoeling buiten beschouwing gelaten). Dat moet duidelijk gebeuren in contact met het ijs. Maar overweeg een cilindrische beker met een diameter van 10 cm (id). Denk je dat het antwoord anders zou zijn als ik een ijsblokje van 1 cm ³ in 1 L water in die beker zou plaatsen OF als ik een 1 cm dikke schijf met een diameter (od) van 9,9 cm in de beker? Ja, onder gespecificeerd systeem, heel goed. Een ander duidelijk ontbrekend stuk is wat je bedoelt met temperatuur. Niet in de zin dat het geen goed gedefinieerde (macroscopische!) Eigenschap is, maar in de zin dat je (waarschijnlijk) denkt aan de gemiddelde temperatuur over een bepaald volume. Zoals ik al zei, het koudste water zal worden gevonden in contact “met het ijs, maar dit betekent niet” dat het hele oppervlak gemiddeld kouder zal zijn dan de onderste 0,1 cm in de beker, aangezien het duidelijk afhangt van dingen die je niet hebt gespecificeerd. Stel je voor als een finale “monkey wrench” in de poging om dit te beantwoorden, dat de beker een inzetstuk bevat en dat metalen inzetstuk is afgekoeld tot -200 ° C.Je giet het 0 ° C water erin, samen met een onbepaalde hoeveelheid ijs en je krijgt wat bevriezing van het water aan de hele binnenkant van de beker. Zelfs als we dit ijs nu ook opnemen wanneer we het volume en de temperatuur van het ijs specificeren, denk je echt dat dit ijs hetzelfde effect zou hebben als drijvende blokjes? Of overweeg een ring van ijs in plaats van een schijf, en hoe zit het met de oppervlakteruwheid van de voering van de cups?

Wanneer de temperatuur daalt, neemt de kinetische energie af, neemt het volume af en gaat de dichtheid omhoog. Daarom is vaste stof gootsteen en vloeistof bovenop.

Het is gerelateerd aan het water maar alleen tot de 4 ° C. Als er water van 10 ° C is, daalt de temperatuur van het water tot 9 ° C, het water van 9 ° C zal dalen vanwege de grotere dichtheid.

Maar als we 4 ° C nemen, daalt de watertemperatuur tot 3 ° C. Het is anders. Je weet dat er waterstofbruggen zijn tussen elk $ \ ce {H2O} $ -molecuul. De vorm van $ \ ce {H2O} $ -molecuul is “gebogen”. De twee waterstofatomen kunnen twee waterstofbindingen maken met twee zuurstofatomen, en twee eenzame elektronenparen van het zuurstofatoom maken twee waterstofbindingen met de twee andere waterstofatomen van twee moleculen. Dan kan het een tetraëdrische vorm hebben.Je weet dat solid een regelmatige structuur heeft. (Vloeibaar) water heeft geen regelmatige vorm, overal zijn moleculen en waterstofbruggen onregelmatig. Wanneer de temperatuur daalt van 4 ° C wat betreft de regelmatige vorm, proberen de tetraëdrische $ \ ce {H2O} $ -moleculen de afstand te vergroten en een regelmatige vorm te krijgen. Dus het volume neemt toe en de dichtheid gaat omlaag. Dan na 4 ° C tot lagere temperaturen (3, 2, 1, 0, −1) drijft het (water) naar boven.

Om het koude water naar de bodem van het glas te laten zinken, moet het kouder zijn dan het water onderaan dat wordt verplaatst. Dus ja, het koudste water staat bovenaan.