Un pahar de apă cu cuburi de gheață în el. Unde ' este apa cea mai rece; în partea de sus sau de jos?

Întrebare interesantă!

Mai întâi câteva lucruri:

Pe măsură ce gheața se topește, se răcește apă în jurul său.

Din punct de vedere tehnic, cubul de gheață se topește deoarece apa se răcește. Acest lucru poate părea ridicol la început, dar trebuie să luați în considerare faptul că gheața se topește pentru că a atras „căldură” (energie) din împrejurimile sale. „Mediul înconjurător” este aerul și apa care îl înconjoară (dar apa este mai importantă, deoarece este „un conductor mai bun al energiei termice).

Având în vedere că apa rece este mai densă decât apa fierbinte, aș presupune că apa rece s-ar scufunda până la fund … dar s-ar încălzi pe măsură ce se scufundă, reducând densitatea.

Ai dreptate, apa rece este mai densă decât apa fierbinte. Este util să reții că nu ar trebui să fie prea rece totuși. Pe măsură ce temperatura apei scade la 4 ° C, densitatea apei crește treptat. Cu toate acestea, pe măsură ce temperatura scade sub 4 ° C, densitatea apei începe să scadă și apa din acest interval „pluteste” ușor peste apă în intervalul de temperatură al camerei.

Între timp, gheața încă se topește și își dă frigul în apa din jur.

Gheața nu dă „rece”, mai degrabă, este nevoie de în „căldura” apei (energia termică).

Înapoi la întrebarea dvs.

După cum menționează Max în răspunsul său, ați făcut o treabă deosebit de bună de a indica cu ce parametri fizici avem de-a face; cei cu adevărat importanți fiind temperatura gheții, temperatura apei (la momentul puneți gheața) și cantitatea de gheață utilizată (cel puțin în ceea ce privește apa).

Dar presupunând că „beți apă (inițial la temperatura camerei) dintr-un polistirol de 250 ml sau pahar de plastic și ați folosit două cuburi de gheață (de dimensiuni normale) și că ați început să beți apa la un minut după ce ați plonjat în cuburi de gheață, apa ar trebui să fie mai rece la partea de sus decât partea de jos.

Luați în considerare straturi / regiuni / pachete de apă imaginare minime în cupă (gândindu-vă la acest lucru în termeni de pachete de apă) „mai degrabă decât moleculele de apă este mai ușor de înțeles). De asemenea, gândiți-vă la cupă ca având trei regiuni (delimitate grosolan): sus, mijloc și jos.

Pachetele de apă imediat adiacente cuburilor de gheață sunt în echilibru termic cu regiunile cele mai exterioare ale gheții. Cu toate acestea, aceste pachete câștigă în curând o anumită energie termică din alte pachete de apă care sunt adiacente lor . Deci, pe măsură ce aceste pachete cresc lent de temperatură, de la zero grade până la 4 ° C, acestea se scufundă și pachetele noi ocupă locații adiacente gheții. Ciclul se repetă atâta timp cât gheața este acolo.

Acum, pe măsură ce acele pachete de gheață se scufundă, ele câștigă mai multă energie termică din pachetele de apă cu care vin în contact în timpul coborârii. Acest lucru, combinat cu efectele vâscoase ale apei, duc la „încălzirea” ușoară a pachetelor care se scufundă.

Acum, deoarece se încălzesc puțin, tind să crească . Înapoi în partea de sus, se „răcesc și se scufundă din nou. Acest proces se repetă atâta timp cât rămâne gheața în apă.

Fă un pas înapoi și vei vedea că mijlocul cupa ar trebui să fie rece, partea de jos a cupei ar trebui să fie mai rece și partea de sus a cupei este cea mai rece .

Deci, chiar dacă cuburile de gheață nu-ți ating de fapt buzele, vei descoperi că sorbiți apa din partea de sus pentru a fi mai rece decât sugerea apei de jos printr-o paie.

Convecția pentru a produce uniformitate depinde de o serie de factori nebuloși:

• Câtă gheață?
• Cât de înaltă este paharul?
• Diametrul paharului?
• „Paharul” este într-adevăr o ceașcă de pahar sau hârtie, o ceașcă din polistiren sau cană de metal?
• Temperatura inițială a apei.
• Masă de apă până la masă de gheață.

Esența este aceasta. Lacurile nu îngheță solid în timpul iernii. Fără să se agite, apa lacului formează straturi care se amestecă foarte, foarte încet. Deci gheața înghețată plutește deasupra lacului.

Deci, fără a amesteca, apa de la este probabil ca buza să fie mai rece decât lichidul din partea de jos a paharului.

EDIT – Acesta este un experiment pe care îl puteți face cu ușurință acasă. Umpleți un pahar mare și transparent (un pahar adevărat pahar …) cam 2/3 plin cu apă de la robinet și adăugați colorant alimentar amestecând pentru a face lichidul destul de întunecat. Apoi adăugați suficientă gheață pentru a umple paharul fără a amesteca. Lăsați paharul să stea pe un blat solid până când gheața se topește. (Experiment frumos pentru a rula peste noapte ….) Deoarece apa s-a stratificat, stratul de apă de deasupra va fi vizibil mai deschis la culoare decât stratul de jos.

Fluxurile de căldură prin radiație, conducție și convecție. Mai întâi, trebuie să mă gândesc la termenul „apă cu gheață”. Apa cu gheață poate conține sau nu gheață. Ceea ce implică în mod clar este că t apa este la 0 ° C. Luați în considerare un sistem în care există un debit minim de aer (deci o conducție minimă aer-apă). Luați în considerare un sistem în care apa (aici apă = apă lichidă) este la 0 °. Gheața este de obicei creată între -15 ° F și + 25 ° F, în funcție de congelator. În toate cazurile, este sub 0 ° C (evident). Acum, ce se întâmplă într-un caz ideal când pun un „pic” de gheață în apă la 0 ° C? Da, apa se îngheață. Acum, desigur, pentru că lumea reală nu este continuă, acest lucru nu se va întâmpla cu adevărat și este posibil să se construiască un sistem în care apa și gheața sunt la echilibru la 0 ° C – dar cu siguranță nu este „ușor”. de mai sus pentru a vă arăta că nu ați reușit să specificați în mod adecvat sistemul dvs. Masele și temperaturile apei și ale gheții contează . La fel și temperatura aerului, temperatura recipientului și temperatura bancului / mesei. Cu un recipient suficient de izolant, trebuie totuși să vă faceți griji cu privire la debitul de masă (curenți) pe care l-ați dat apei turnându-l. desigur, forma bucăților de gheață contează. Luați în considerare un tub capilar (perfect izolant) și o tavă superficială cu aceeași capacitate totală de volum. Debitul de masă și debitul termic vor fi mult diferite. Calculele hidrodinamice pot fi (și aproape întotdeauna sunt) extrem de dificile. Apa nu poate fi mai rece decât 0 ° (ignorând supraîncălzirea). Acest lucru trebuie să apară în mod clar în contact cu gheața. Dar ia în considerare o cană cilindrică de 10 cm în diametru (id) Crezi că răspunsul ar fi diferit dacă aș pune un cub de gheață de 1 cm ³ în 1 L de apă în acea cană SAU dacă aș pune un Disc de 1 cm grosime cu un diametru (od) de 9,9cm în cupă? Da, un sistem nespecificat, mare. O altă piesă evident lipsă este ceea ce înțelegeți prin temperatură. Nu în sensul că „nu este o proprietate bine definită (macroscopic!), Ci în sensul că (probabil) vă gândiți la temperatura medie peste un anumit volum. După cum am spus, cea mai rece apă va fi găsită” în contact „cu gheața, dar asta nu înseamnă că întreaga suprafață va fi în medie mai rece decât partea inferioară de 0,1 cm din cupă, deoarece depinde în mod evident de lucrurile pe care nu le-ați specificat. Imaginați-vă ca o finală „cheie de maimuță”, în încercarea de a răspunde la acest lucru, că ceașca conține o inserție și că inserția metalică a fost răcită la -200 ° C. Se toarnă apa de 0 ° C, împreună cu o cantitate de gheață nespecificată și se obține puțină înghețarea apei pe întreaga suprafață interioară a cupei. Acum, chiar dacă includem această gheață atunci când specificăm volumul și temperatura gheaței, chiar credeți că această gheață ar avea același efect ca și cuburile plutitoare? Sau luați în considerare un inel de gheață în loc de un disc și ce zici de rugozitatea suprafeței căptușelii cupelor?

Când temperatura scade, energia cinetică scade, volumul scade și apoi densitatea crește. Prin urmare, solidul este scufundat și lichidul este deasupra.

Este legat de apă, dar numai până la 4 ° C. Când există apă la 10 ° C, temperatura apei scade la 9 ° C, apa de 9 ° C va scădea din cauza densității mai mari.

Dar când luăm 4 ° C temperatura apei scade la 3 ° C. Este diferit. Știți că există legături de hidrogen între fiecare moleculă $ \ ce {H2O} $. Forma moleculei $ \ ce {H2O} $ este „îndoită”. Cei doi atomi de hidrogen pot face două legături de hidrogen cu doi atomi de oxigen, iar două perechi izolate de electroni ai atomului de oxigen fac două legături de hidrogen cu alte două molecule, doi hidrogeni. Apoi poate avea o formă tetraedrică.Știți că solidul are o structură regulată. Apa (lichidă) nu are o formă regulată, există molecule și legături de hidrogen peste tot în mod neregulat. Când temperatura scade de la 4 ° C în ceea ce privește forma regulată, moleculele tetraedrice $ \ ce {H2O} $ încearcă să mărească distanța și ajung la o formă regulată. Deci, volumul crește și densitatea scade. Apoi, după 4 ° C până la temperaturi scăzute (3, 2, 1, 0, −1) (apa) plutește deasupra.