Antag att jag fyller ett glas med isvatten. När isen smälter kyler den vattnet runt den. Med tanke på att kallt vatten är tätare än varmt vatten, skulle jag anta att det kalla vattnet skulle sjunka till botten … men det skulle värmas när det sjunker, vilket minskar densiteten. Under tiden smälter isen fortfarande och avger kylan till det omgivande vattnet.
Så kommer det att ge dig svalare eller varmare vatten att dricka isvatten med ett sugrör än att dricka ur glasets läpp? / p>
Kommentarer
- en.wikipedia.org/wiki/Grashof_number
- Hm, men isen är nära toppen … borde inte ’ t vattnet som omger det omedelbart ska vara kallare än vattnet längst bort från det? Kallt vatten är inte ’ t leder, det tar en stund att sjunka …
Svar
Intressant fråga!
Några saker först:
När isen smälter svalnar den vatten runt den.
Tekniskt sett smälter isbiten för att vattnet svalnar. Detta kanske låter löjligt i början, men du måste tänka på att isen smälter för att den har tagit ”värme” (energi) från omgivningen. ”Omgivningen” är luften och vattnet som omger det (men vattnet är viktigare eftersom det är en bättre ledare för termisk energi).
Med tanke på att kallt vatten är tätare än varmt vatten, skulle jag anta att det kalla vattnet skulle sjunka till botten … men det skulle värmas när det sjunker, vilket minskar densiteten.
Du har rätt, kallt vatten är tätare än varmt vatten. Det är bra att notera att det inte bör vara för kallt. När vattentemperaturen sjunker till 4 ° C ökar vattentätheten gradvis. Men när temperaturen sjunker under 4 ° C börjar vattentätheten faktiskt att minska och vatten i detta område ”flyter” lätt över vatten i rumstemperaturområdet.
Under tiden smälter isen fortfarande och avger kylan till det omgivande vattnet.
Isen ger inte av dess ”kallt”, snarare tar det in vattnet ”s” värme ”(termisk energi).
Tillbaka till din fråga.
Som Max nämner i sitt svar har du gjort ett särskilt bra jobb med att ange vilka fysiska parametrar vi har att göra med; de riktigt viktiga är temperaturen på isen, temperaturen på vattnet (vid den tid du lägg isen i) och den använda ismängden (åtminstone med avseende på vattnet).
Men förutsatt att du dricker vatten (ursprungligen vid rumstemperatur) ur en 250 ml styrofoam eller plastkopp, och du använde två isbitar (i normalstorlek) och att du började dricka vattnet en minut efter att du plunkat i isbitarna, vattnet borde vara kallare vid överst än längst ner.
Tänk på små, imaginära lager / regioner / vattenpaket i koppen (tänk på detta i termer av vatten ”-paket ”snarare än vattenmolekyler är lättare att förstå). Tänk också på att koppen har tre (grovt avgränsade) regioner: Övre, mellersta och botten.
Vattenpaket omedelbart intill isbitarna är i termisk jämvikt med de yttersta områdena av isen. Dessa paket får dock snart lite termisk energi från andra vattenpaket som ligger intill dem . Så när dessa paket långsamt stiger i temperatur, från noll grader till över 4 ° C, sjunker de och nya paket upptar platser intill isen. Cykeln upprepas så länge isen finns.
Nu när dessa ispaket sjunker får de mer termisk energi från de vattenpaket de kommer i kontakt med på väg ner. Detta, i kombination med de viskösa effekterna av vatten, resulterar i en mild ”uppvärmning” av de sjunkande förpackningarna.
Nu eftersom de värms upp lite, tenderar de att stiga tillbaka . Tillbaka överst blir de svalna och sjunker igen. Denna process upprepas så länge isen finns kvar i vattnet.
Ta ett steg tillbaka, så ser du att mitt på koppen borde vara kall, botten på koppen borde vara kallare och toppen på koppen är kallaste .
Så även om isbitarna egentligen inte rör dina läppar, kommer du att hitta att läppja vattnet uppe för att vara kallare än att suga ut vatten från botten genom en halm.
Svar
Konvektionen för att producera enhetlighet beror på ett antal nebulösa faktorer:
- Hur mycket is?
- Hur långt är glaset?
- Glasets diameter?
- Är ”glaset” verkligen ett glas- eller papperskopp, styrofoamkopp eller kanske en metallkopp?
- Vattnets ursprungliga temperatur.
- Vattenmassa till ismassa.
Kärnan är detta. Sjöarna fryser inte fasta på vintern. Utan omrörning bildar sjövattnet lager som blandar sig mycket, mycket långsamt. Så den frusna isen flyter ovanpå sjön.
Så utan omrörning, vattnet vid läppen är sannolikt kallare än vätskan längst ner i glaset.
EDIT – Detta är ett experiment som du enkelt kan göra hemma. Fyll ett stort klart glas (ett riktigt glas glas …) ungefär 2/3 fulla med kranvatten och tillsätt matfärg under omrörning för att göra vätskan ganska mörk. Tillsätt sedan tillräckligt med is för att fylla glaset utan att omröra. Låt glaset sitta på en fast disk tills isen smälter. (Trevligt experiment att springa över natten ….) Eftersom vattnet har skiktat kommer vattenskiktet på toppen att märkas ljusare i färg än skiktet på botten.
Svar
Värme strömmar genom strålning, ledning och konvektion. Först måste jag kväva över termen ”isvatten”. Isvatten kan innehålla eller inte. Vad det tydligt innebär är att t vattnet är vid 0 ° C. Tänk på ett system där det finns minimalt luftflöde (följaktligen minimal luft-vattenledning). Tänk på ett system där vattnet (här vatten = flytande vatten) ligger vid 0 °. Is skapas vanligtvis vid mellan -15 ° F och + 25 ° F, beroende på frysen. Det är i alla fall under 0 ° C (uppenbarligen). Vad händer nu i ett perfekt fall när jag lägger en ”liten bit” is i vatten vid 0 ° C? Japp, vattnet fryser allt. Nu för att den verkliga världen inte är kontinuerlig, så kommer det naturligtvis inte att hända och det är möjligt att konstruera ett system där vatten och is är i jämvikt vid 0 ° C – men det är definitivt inte ”lätt”. Jag nämner ovan för att visa att du inte har specificerat ditt system tillräckligt. Massorna och temperaturerna i vattnet och isen materia . Liksom luftens temperatur, behållarens temperatur och bänkens / bordets temperatur. Med en tillräckligt isolerande behållare behöver du fortfarande oroa dig för det massflöde (strömmar) du har gett till vattnet genom att hälla det. (Dessa strömmar kan ta timmar och möjligen dagar att försvinna helt – även under nära isotermiska förhållanden!) Och naturligtvis har formen på isbitarna betydelse. Tänk på ett (perfekt isolerande) kapillärrör och ett grunt bricka med samma totala volymkapacitet. Massflödet och det termiska flödet kommer att vara mycket olika. Hydrodynamiska beräkningar kan vara (och nästan är alltid oerhört svåra. Vattnet kan inte vara kallare än 0 ° (ignorerar superkylning). Det måste helt klart ske i kontakt med isen. Men tänk på en cylindrisk kopp 10 cm i diameter (id) Tror du att svaret skulle vara annorlunda om jag placerade en 1 cm 3 isbit i 1 liter vatten i koppen ELLER om jag placerade en 1 cm tjock skiva med en diameter (od) på 9,9 cm i koppen? Ja, under-specificerat system, big time. En annan uppenbar saknad del är vad du menar med temperatur. Inte i den meningen att det inte är en väldefinierad (makroskopisk!) Egenskap, utan i den meningen att du (förmodligen) tänker på medeltemperaturen över en viss volym. Som sagt kommer det kallaste vattnet att hittas ”i kontakt ”med isen, men det betyder inte att hela ytan kommer att vara i genomsnitt kallare än botten på 0,1 cm i koppen eftersom det uppenbarligen beror på saker du inte har specificerat. Tänk dig som en final ”monkey skiftnyckel” i försöket att svara på detta, att koppen innehåller en insats och att metallinsatsen har svalnat till -200 ° C. Du häller 0 ° C vattnet i, tillsammans med lite ospecificerad mängd is och du får lite fryser vattnet på hela insidan av koppen. Även om vi inkluderar denna is när vi anger isens volym och temperatur, tror du verkligen att denna is skulle ha samma effekt som flytande kuber? Eller överväga en ring av is istället för en skiva, och vad sägs om ytans grovhet på kopparnas foder?
Svar
När temperaturen sjunker minskar den kinetiska energin, volymen minskar och därefter stiger densiteten. Därför är fasta handfat och vätska är på toppen.
Det är relaterat till vattnet men bara upp till 4 ° C. När det finns vatten 10 ° C sjunker vattentemperaturen till 9 ° C, 9 ° C vattnet kommer att gå ner på grund av den högre densiteten.
Men när vi tar 4 ° C sjunker vattentemperaturen till 3 ° C. Det är annorlunda. Du vet att det finns vätebindningar mellan varje $ \ ce {H2O} $ -molekyl. Formen på $ \ ce {H2O} $ -molekylen är ”böjd”. De två väteatomerna kan bilda två vätebindningar med två syreatomer, och två ensamma elektronpar av syreatomen bildar två vätebindningar med ytterligare två molekyler två väten. Då kan den ha en tetrahedral form.Du vet att solid har en regelbunden struktur. (Flytande) vatten har ingen regelbunden form, det finns molekyler och vätebindningar överallt oregelbundet. När temperaturen sjunker från 4 ° C vad gäller den vanliga formen försöker tetraedriska $ \ ce {H2O} $ -molekyler att öka avståndet och komma till en vanlig form. Så volymen ökar och densiteten minskar. Sedan flyter (vattnet) uppe efter 4 ° C till nedre temperaturer (3, 2, 1, 0, −1).
Svar
För att kallt vatten ska sjunka till botten av glaset har det varit kallare än vattnet i botten som är förskjuten. Så ja, det kallaste vattnet kommer att vara högst upp.