Suponha que eu encho um copo com água gelada. Conforme o gelo derrete, ele resfria a água ao seu redor. Dado que a água fria é mais densa do que a água quente, presumo que a água fria afundaria … mas aqueceria à medida que afundava, reduzindo a densidade. Enquanto isso, o gelo ainda está derretendo e liberando seu frio para a água ao redor.
Então, beber água gelada com um canudo vai deixar você mais frio ou mais quente do que beber pela borda do copo?
Comentários
- en.wikipedia.org/wiki/Grashof_number
- Hm, mas o gelo está próximo ao topo … não deveria ' a água imediatamente ao seu redor ser mais fria do que a água mais distante dele? Água fria não ' t lidera, leva um tempo para afundar …
Resposta
Pergunta interessante!
Algumas coisas primeiro:
Conforme o gelo derrete, ele esfria o água ao redor.
Tecnicamente, o cubo de gelo derrete porque a água esfria. Isso pode parecer ridículo no início, mas você deve considerar o fato de que o gelo derrete porque extraiu “calor” (energia) de seus arredores. Os “arredores” são o ar e a água que o rodeiam (mas a água é mais importante, pois é “um melhor condutor de energia térmica).
Dado que a água fria é mais densa do que a água quente, presumo que a água fria afundaria … mas aqueceria à medida que afundava, reduzindo a densidade.
Você está certo, a água fria é mais densa do que a água quente. É útil notar que não deve ser muito fria. Conforme a temperatura da água cai para 4 ° C, a densidade da água aumenta gradualmente. No entanto, conforme a temperatura cai abaixo de 4 ° C, a densidade da água realmente começa a diminuir e a água nesta faixa “flutua” facilmente sobre a água na faixa de temperatura ambiente.
Enquanto isso, o gelo ainda está derretendo e emitindo seu frio para a água ao redor.
O gelo não está dando seu “frio”, em vez disso, leva em o “calor” da água (energia térmica).
De volta à sua pergunta.
Como Max menciona em sua resposta, você fez um trabalho particularmente bom ao indicar com quais parâmetros físicos estamos lidando; os realmente importantes são a temperatura do gelo, a temperatura da água (no momento em que você coloque o gelo) e a quantidade de gelo usada (pelo menos em relação à água).
Mas supondo que você esteja bebendo água (originalmente em temperatura ambiente) de um isopor de 250 ml ou copo de plástico, e você usou dois cubos de gelo (de tamanho normal) e começou a beber a água um minuto depois de colocar os cubos de gelo, a água deve estar mais fria em superior do que inferior.
Considere camadas / regiões / pacotes imaginários de água no copo (pensando nisso em termos de pacotes de água “em vez de moléculas de água é mais fácil de compreender). Além disso, pense na xícara como tendo três regiões (grosseiramente demarcadas): superior, intermediária e inferior.
Pacotes de água imediatamente adjacentes aos cubos de gelo estão em equilíbrio térmico com as regiões mais externas do gelo. No entanto, esses pacotes logo ganham alguma energia térmica de outros pacotes de água adjacentes a eles . Assim, à medida que a temperatura desses pacotes aumenta lentamente, de zero graus a mais de 4 ° C, eles afundam e novos pacotes ocupam locais adjacentes ao gelo. O ciclo se repete enquanto o gelo estiver lá.
Agora, à medida que esses pacotes de gelo afundam, eles ganham mais energia térmica dos pacotes de água com os quais entram em contato ao descer. Isso, juntamente com os efeitos viscosos da água, resulta no leve “aquecimento” dos pacotes que se afundam.
Agora, como eles esquentam um pouco, eles tendem a subir novamente . De volta ao topo, eles são resfriados e afundam novamente. Esse processo se repete enquanto o gelo permanecer na água.
Dê um passo para trás e você verá que o meio do a xícara deve estar fria, o fundo da xícara deve estar mais frio e a parte superior da xícara deve estar mais fria .
Portanto, mesmo que os cubos de gelo não estejam realmente tocando seus lábios, você descobrirá que tomar água no topo é mais frio do que sugar a água do fundo por meio de um canudo.
Resposta
A convecção para produzir uniformidade depende de uma série de fatores nebulosos:
- Quanto gelo?
- Qual é a altura do vidro?
- Diâmetro do vidro?
- O “vidro” é realmente um copo de vidro ou papel, copo de isopor ou talvez um copo de metal?
- Temperatura inicial da água.
- Massa de água em massa de gelo.
A essência é esta. Os lagos não congelam completamente no inverno. Sem se mexer, a água do lago forma camadas que se misturam muito, muito lentamente. Portanto, o gelo congelado flutua no topo do lago.
Portanto, sem se mexer, a água em a borda provavelmente está mais fria do que o líquido no fundo do copo.
EDITAR – Esta é uma experiência que você pode fazer facilmente em casa. Encha um copo grande e transparente (um copo de verdade copo …) cerca de 2/3 cheio com água da torneira e adicione corante alimentício mexendo para tornar o líquido bastante escuro. Em seguida, adicione gelo suficiente para encher o copo sem mexer. Deixe o copo repousar sobre uma bancada sólida até o gelo derreter. (Bom experimento para ser executado durante a noite ….) Como a água formou camadas, a camada de água na parte superior será perceptível na cor mais clara do que a camada na parte inferior.
Resposta
O calor flui por radiação, condução e convecção. Em primeiro lugar, tenho que questionar o termo “água gelada”. A água gelada pode ou não conter gelo. O que isso implica claramente é aquele t A água está a 0 ° C. Considere um sistema onde há fluxo de ar mínimo (portanto, condução mínima de ar-água). Considere um sistema onde a água (aqui água = água líquida) está a 0 °. O gelo é normalmente criado entre -15 ° F e + 25 ° F, dependendo do freezer. Em todos os casos, está abaixo de 0 ° C (obviamente). Agora, o que acontece em um caso ideal quando coloco um “pedacinho” de gelo na água a 0 ° C? Sim, a água congela. Claro que, como o mundo real não é contínuo, isso não acontecerá de verdade e é possível construir um sistema em que água e gelo estejam em equilíbrio a 0 ° C – mas definitivamente não é “fácil”. Menciono o acima para mostrar que você não especificou adequadamente o seu sistema. As massas e temperaturas da água e do gelo importam . Assim como a temperatura do ar, a temperatura do recipiente e a temperatura da bancada / mesa. Com um recipiente suficientemente isolante, você ainda precisa se preocupar com o fluxo de massa (correntes) que você deu à água ao despejá-la. (Essas correntes podem levar horas e possivelmente dias para desaparecer completamente – mesmo sob condições quase isotérmicas!) E é claro que a forma dos pedaços de gelo importa. Considere um tubo capilar (perfeitamente isolante) e uma bandeja rasa com a mesma capacidade de volume total. O fluxo de massa e o fluxo térmico serão muito diferentes. Os cálculos hidrodinâmicos podem ser (e quase sempre são) enormemente difíceis. A água não pode estar mais fria do que 0 ° (ignorando o super-resfriamento). Isso deve ocorrer claramente em contato com o gelo. Mas considere um copo cilíndrico de 10 cm de diâmetro (id) Você acha que a resposta seria diferente se eu colocasse um cubo de gelo de 1 cm 3 em 1 L de água naquele copo OU se eu colocasse um Disco de 1 cm de espessura com diâmetro (od) de 9,9 cm no copo? Sim, sistema subespecificado, grande momento. Outra peça óbvia que falta é o que você entende por temperatura. Não no sentido de que “não seja uma propriedade bem definida (macroscópica!), Mas no sentido de que você (provavelmente) está pensando na temperatura média acima de algum volume. Como eu disse, a água mais fria será encontrada” em contato “com o gelo, mas isso não significa que toda a superfície será em média mais fria do que os 0,1 cm da base do copo, já que obviamente depende de coisas que você não especificou. Imagine como um final “chave de macaco” na tentativa de responder a isso, que o copo contém um inserto e esse inserto metálico foi resfriado a -200 ° C. Você despeja água a 0 ° C, junto com uma quantidade não especificada de gelo e obtém um pouco congelamento da água em toda a superfície interna do copo. Agora, mesmo se incluirmos esse gelo quando especificarmos o volume e a temperatura do gelo, você realmente acha que esse gelo teria o mesmo efeito que cubos flutuantes? Ou considere um anel de gelo em vez de um disco, e quanto à aspereza da superfície do revestimento das xícaras?
Resposta
Quando a temperatura diminui, a energia cinética diminui, o volume diminui e a densidade aumenta. Portanto, o sólido é dissipador e o líquido está no topo.
Está relacionado à água, mas apenas até 4 ° C. Quando tem água a 10 ° C, a temperatura da água desce para 9 ° C, a água de 9 ° C desce por causa da maior densidade.
Mas quando tomamos 4 ° C, a temperatura da água desce para 3 ° C. É diferente. Você sabe que há ligações de hidrogênio entre cada molécula $ \ ce {H2O} $. A forma da molécula $ \ ce {H2O} $ é “dobrada”. Os dois átomos de hidrogênio podem fazer duas ligações de hidrogênio com dois átomos de oxigênio, e dois pares solitários de elétrons do átomo de oxigênio fazem duas ligações de hidrogênio com outros dois hidrogênios de duas moléculas. Então, ele pode ter uma forma tetraédrica.Você sabe que o sólido tem uma estrutura regular. A água (líquida) não tem forma regular, existem moléculas e ligações de hidrogênio em todos os lugares de forma irregular. Quando a temperatura desce de 4 ° C para a forma regular, as moléculas tetraédricas $ \ ce {H2O} $ tentam aumentar a distância e chegar a uma forma regular. Então, o volume aumenta e a densidade diminui. Então, após 4 ° C para baixar as temperaturas (3, 2, 1, 0, -1), a (água) flutua no topo.
Resposta
Para que a água fria afunde até o fundo do copo, ela deve estar mais fria do que a água no fundo que está deslocado. Então, sim, a água mais fria estará no topo.