Szklanka wody z kostkami lodu. Gdzie ' to woda najzimniejsza; na górze czy na dole?

Ciekawe pytanie!

Najpierw kilka rzeczy:

Gdy lód topi się, chłodzi woda wokół niego.

Technicznie rzecz biorąc, kostka lodu topi się ponieważ woda ochładza się. Na początku może to zabrzmieć niedorzecznie, ale należy wziąć pod uwagę fakt, że lód topi się ponieważ pobrał „ciepło” (energię) z otoczenia. „Otoczenie” to powietrze i woda, które ją otaczają (ale woda jest ważniejsza, ponieważ „jest lepszym przewodnikiem energii cieplnej).

Biorąc pod uwagę, że zimna woda jest gęstsza od gorącej, przypuszczam, że zimna woda opadnie na dno … ale będzie się ogrzewać w miarę opadania, zmniejszając gęstość.

Masz rację, zimna woda jest gęstsza niż ciepła woda. Warto jednak zauważyć, że nie powinna być zbyt zimna. Gdy temperatura wody spada do 4 ° C, gęstość wody stopniowo rośnie. Jednak gdy temperatura spada poniżej 4 ° C, gęstość wody faktycznie zaczyna spadać i woda w tym zakresie łatwo „unosi się” nad wodą w zakresie temperatury pokojowej.

Tymczasem lód wciąż topi się i oddaje swój chłód do otaczającej wody.

Lód nie wydziela swojego „zimna” raczej pobiera do „ciepło” wody (energię cieplną).

Wracając do pytania.

Jak wspomina Max w swojej odpowiedzi, wykonałeś szczególnie dobrą robotę wskazując, z jakimi parametrami fizycznymi mamy do czynienia; naprawdę z nich są temperatura lodu, temperatura wody (w tym czasie włóż lód) i ilość użytego lodu (przynajmniej w odniesieniu do wody).

Ale zakładając, że pijesz wodę (pierwotnie o temperaturze pokojowej) z 250 ml styropianu lub plastikowego kubka i użyłeś dwóch (normalnej wielkości) kostek lodu i zacząłeś pić wodę minutę po włożeniu kostek lodu, woda powinna być zimniejsza na na górze niż na dole.

Rozważ drobne, wyimaginowane warstwy / regiony / paczki wody w kubku (myśląc o tym w kategoriach wody „pakiety „zamiast cząsteczek wody jest łatwiejsze do zrozumienia). Pomyśl także o kubku jako o trzech (z grubsza odgraniczonych) obszarach: górnym, środkowym i dolnym.

Paczki wody bezpośrednio przylegające do kostek lodu są w równowadze termicznej z najbardziej zewnętrznymi obszarami lodu. Jednak pakiety te szybko uzyskują trochę energii cieplnej z innych pakietów wodnych, które są obok nich . Tak więc, gdy temperatura tych pakietów powoli wzrasta, od zera do ponad 4 ° C, toną, a nowe pakiety zajmują miejsca w sąsiedztwie lodu. Cykl powtarza się tak długo, jak długo jest lód.

Teraz, gdy te paczki lodu opadają, uzyskują więcej energii cieplnej z paczek wody, z którymi stykają się podczas schodzenia w dół. To w połączeniu z lepkim działaniem wody powoduje łagodne „nagrzewanie” tonących pakietów.

Teraz, gdy trochę się nagrzewają, mają tendencję do wznoszenia się . Wracając na górę, ponownie schładzają się i toną. Ten proces powtarza się tak długo, jak długo lód pozostaje w wodzie.

Cofnij się o krok, a zobaczysz, że środek filiżanka powinna być zimna, spód filiżanki powinien być zimniejszy , a górna część filiżanki jest najzimniejsza .

Więc nawet jeśli kostki lodu w rzeczywistości nie dotykają twoich ust, zobaczysz, że popijanie wody na górze jest zimniejsze niż wysysanie wody z dołu przez słoma.

Konwekcja prowadząca do jednorodności zależy od wielu mglistych czynników:

• Ile lodu?
• Jaka jest wysokość szklanki?
• Średnica szklanki?
• Czy „szklanka” to naprawdę szklany lub papierowy kubek, styropianowy, czy może metalowy kubek?
• Początkowa temperatura wody.
• Masa wody do masy lodu.

Istota jest taka. Jeziora nie zamarzają w zimie. Bez mieszania woda w jeziorze tworzy warstwy, które mieszają się bardzo, bardzo powoli. Dlatego zamarznięty lód unosi się nad jeziorem.

Bez mieszania woda warga prawdopodobnie będzie zimniejsza niż płyn na dnie szklanki.

EDYCJA – To eksperyment, który możesz łatwo przeprowadzić w domu. Napełnij dużą przezroczystą szklankę (prawdziwą szklankę szklankę …) około 2/3 napełnić wodą z kranu i mieszając dodaj barwnik spożywczy, aby płyn był dość ciemny. Następnie dodaj tyle lodu, aby wypełnić szklankę bez mieszania. Odstawić szklankę na stałą blat, aż lód się rozpuści. (Niezły eksperyment do przeprowadzenia przez noc ….) Ponieważ woda się nawarstwiała, warstwa wody na górze będzie wyraźnie jaśniejsza niż warstwa na spodzie.

Ciepło przepływa przez promieniowanie, przewodzenie i konwekcję. Po pierwsze, muszę spierać się o termin „woda lodowa”. Woda lodowa może zawierać lód lub nie. Z tego jasno wynika, że że t woda ma 0 ° C. Rozważ system, w którym występuje minimalny przepływ powietrza (stąd minimalne przewodzenie wody i powietrza). Rozważmy system, w którym woda (tutaj woda = woda w stanie ciekłym) ma 0 °. Lód jest zwykle tworzony w temperaturze od -15 ° F do + 25 ° F, w zależności od zamrażarki. We wszystkich przypadkach jest poniżej 0 ° C (oczywiście). Co się dzieje w idealnym przypadku, gdy wrzucę „odrobinę” lodu do wody o temperaturze 0 ° C? Tak, woda zamarza. Teraz, oczywiście, ponieważ rzeczywisty świat nie jest ciągły, tak naprawdę się to nie wydarzy i możliwe jest zbudowanie systemu, w którym woda i lód są w równowadze w temperaturze 0 ° C – ale zdecydowanie nie jest to „łatwe”. powyżej, aby pokazać, że nie udało Ci się odpowiednio określić systemu. Masy i temperatury wody i lodu mają znaczenie . Podobnie jak temperatura powietrza, temperatura pojemnika i temperatura ławki / stołu. Mając wystarczająco izolujący pojemnik, nadal musisz martwić się o masowe natężenie przepływu (prądy), które „dałeś wodzie przez wylewanie jej” (całkowite zaniknięcie tych prądów może zająć godziny, a nawet dni – nawet w warunkach bliskich izotermii!) oczywiście kształt kawałków lodu ma znaczenie. Rozważmy kapilarę (doskonale izolującą) i płytką tacę o tej samej pojemności całkowitej. Przepływ masowy i przepływ termiczny będą się znacznie różnić. Obliczenia hydrodynamiczne mogą być (i prawie zawsze są) niezwykle trudne. Woda nie może być niższa niż 0 ° (pomijając przechłodzenie). To oczywiście musi mieć miejsce w kontakcie z lodem. Ale weź pod uwagę cylindryczny kubek o średnicy 10 cm (id). Czy uważasz, że odpowiedź byłaby inna, gdybym umieścił kostkę lodu o średnicy 1 cm ³ w 1 litrze wody w tym kubku LUB gdy Dysk o grubości 1 cm i średnicy 9,9 cm w kubku? Tak, niedokończony system, wielki czas. Innym oczywistym brakującym elementem jest to, co rozumiesz przez temperaturę. Nie w tym sensie, że nie jest to dobrze zdefiniowana (makroskopowa!) Właściwość, ale w tym sensie, że myślisz (prawdopodobnie) o średniej temperaturze w jakiejś objętości. Jak powiedziałem, najzimniejsza woda będzie znajdowała się w kontakcie „z lodem, ale nie oznacza to”, że cała powierzchnia będzie średnio zimniejsza niż 0,1 cm dna filiżanki, ponieważ oczywiście zależy to od rzeczy, których nie określiłeś. Wyobraź sobie, że na koniec „małpi klucz”, próbując odpowiedzieć na to pytanie, że kubek zawiera wkładkę, a metalowa wkładka została schłodzona do -200 ° C. Wlewasz wodę o temperaturze 0 ° C wraz z nieokreśloną ilością lodu i dostajesz trochę zamarzanie wody na całej wewnętrznej powierzchni kubka. Teraz, nawet jeśli uwzględnimy ten lód podczas określania objętości i temperatury lodu, czy naprawdę myślisz, że ten lód miałby taki sam efekt jak pływające kostki? Albo rozważ pierścień lodu zamiast dysku, a co z chropowatością powierzchni wyściółki miseczek?

Kiedy temperatura spada, energia kinetyczna maleje, objętość maleje, a następnie zwiększa się gęstość. Dlatego ciało stałe jest tonące, a ciecz jest na górze.

Jest powiązany z wodą, ale tylko do 4 ° C. Gdy temperatura wody wynosi 10 ° C, temperatura wody spada do 9 ° C, a woda o temperaturze 9 ° C spada ze względu na większą gęstość.

Ale kiedy przyjmiemy 4 ° C, temperatura wody spada do 3 ° C. To jest inne. Wiesz, że pomiędzy każdą cząsteczką $ \ ce {H2O} $ są wiązania wodorowe. Kształt cząsteczki $ \ ce {H2O} $ jest „wygięty”. Dwa atomy wodoru mogą tworzyć dwa wiązania wodorowe z dwoma atomami tlenu, a dwie samotne pary elektronów atomu tlenu tworzą dwa wiązania wodorowe z dwoma atomami wodoru w innych cząsteczkach. Wtedy może mieć kształt czworościenny.Wiesz, że ciało stałe ma regularną strukturę. (Płynna) woda nie ma regularnego kształtu, wszędzie są nieregularne cząsteczki i wiązania wodorowe. Gdy temperatura spadnie z 4 ° C do regularnego kształtu, tetraedryczne cząsteczki $ \ ce {H2O} $ próbują zwiększyć odległość i uzyskać regularny kształt. Tak więc głośność rośnie, a gęstość spada. Następnie po obniżeniu temperatury o 4 ° C (3, 2, 1, 0, -1) (woda) unosi się na górze.

Aby zimna woda opadła na dno szklanki, musi być zimniejsza niż woda na dole, który jest przesunięty. Więc tak, najzimniejsza woda będzie na górze.