Pytanie:
Szklanka wody z kostkami lodu. Gdzie woda jest najzimniejsza; na górze czy na dole?
ND Geek
2017-06-24 22:29:15 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Załóżmy, że napełniam szklankę lodowatą wodą. Gdy lód topi się, chłodzi wodę wokół niego. 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. Tymczasem lód wciąż topi się i oddaje zimno do otaczającej wody.

Czy więc picie lodowatej wody przez słomkę zapewni ci chłodniejszą lub cieplejszą wodę niż picie z krawędzi szklanki?

https://en.wikipedia.org/wiki/Grashof_number
Hm, ale lód jest blisko szczytu ... czy woda bezpośrednio go otaczająca nie powinna być zimniejsza niż woda najdalej od niego? Zimna woda nie jest ołowiem, chwilę potrwa, zanim utonie ...
Pięć odpowiedzi:
#1
+33
paracetamol
2017-06-24 23:33:35 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Ciekawe pytanie!

Najpierw kilka rzeczy:

Gdy lód topi się, ochładza wodę wokół niego.

Technicznie rzecz biorąc, kostka lodu topi się ponieważ woda ostygnie. Na początku może to zabrzmieć niedorzecznie, ale musisz 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 niż gorąca, zakładam, że zimna woda opadnie na dno ... ale będzie się nagrzewać, gdy opadnie, zmniejszając gęstość.

Masz rację, zimna woda to gęstsza niż gorąca woda. Warto jednak zauważyć, że nie powinno być za zimno. 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.

enter image description here

Tymczasem lód wciąż topi się i oddaje zimno do otaczającej wody.

Lód nie jest nie oddaje ciepła jej "zimna", raczej pobiera w "ciepło" (energię cieplną) wody.


Wróć do pytanie.

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

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

Rozważ drobne, wyimaginowane warstwy / regiony / paczki wody w kubku (myśląc o tym w łatwiejsze do zrozumienia są określenia „pakiety” wody, a nie cząsteczki wody). Pomyśl też 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, są schładzane i ponownie toną. Ten proces powtarza się tak długo, jak długo lód pozostaje w wodzie.

Cofnij się o krok, a zobaczysz, że środek filiżanki powinien być zimny, a spód filiżanki - zimniej , a górna część filiżanki jest najzimniejsza .

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

#2
+12
MaxW
2017-06-24 22:42:23 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Konwekcja zapewniająca jednorodność zależy od wielu mglistych czynników:

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

Istota jest taka. Jeziora nie zamarzają w zimie. Bez mieszania woda jeziora tworzy warstwy, które mieszają się bardzo, bardzo wolno. Więc zamarznięty lód unosi się na jeziorze.

Więc bez mieszania woda przy wardze będzie prawdopodobnie zimniejsza niż ciecz na dnie szklanki.


EDYTUJ - to eksperyment, który możesz łatwo przeprowadzić w domu. Napełnij dużą przezroczystą szklankę (prawdziwą szklankę ...) około 2/3 objętości wodą z kranu i dodaj barwnik spożywczy, mieszając, aby płyn był dość ciemny. Następnie dodaj tyle lodu, aby wypełnić szklankę bez mieszania. Odstaw szklankę na solidny blat, aż lód się rozpuści. (Niezły eksperyment do przeprowadzenia przez noc…) Ponieważ woda jest warstwowa, warstwa wody na górze będzie wyraźnie jaśniejsza niż warstwa na dnie.

#3
+2
alphonse
2017-06-25 16:07:36 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Ciepło przepływa przez promieniowanie, przewodzenie i konwekcję. Najpierw muszę się spierać o określenie „woda lodowa”. Woda lodowa może zawierać lód lub nie. Wyraźnie oznacza to, że woda ma temperaturę 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 stanie w idealnym przypadku, gdy wrzucę „odrobinę” lodu do wody o temperaturze 0 ° C? Tak, woda zamarza. Oczywiście, ponieważ świat rzeczywisty nie jest ciągły, tak naprawdę się to nie wydarzy i możliwe jest skonstruowanie systemu, w którym woda i lód są w równowadze w temperaturze 0 ° C - ale zdecydowanie nie jest to „łatwe”. Wspominam o powyższym, aby pokazać, że nie udało Ci się odpowiednio określić swojego systemu. Masy i temperatury wody i lodu mają znaczenie . Podobnie jak temperatura powietrza, temperatura pojemnika i temperatura stołu / stołu. Mając wystarczająco izolujący pojemnik, nadal musisz martwić się o masowy przepływ (prądy), które podałeś wodzie podczas jej nalewania. (Całkowite zaniknięcie tych prądów może zająć godziny, a nawet dni - nawet w warunkach bliskich izotermii!) I oczywiście kształt kawałków lodu ma znaczenie. Rozważmy (doskonale izolującą) rurkę kapilarną i płytką tackę o tej samej całkowitej pojemności. Przepływ masowy i przepływ termiczny będą się znacznie różnić. Obliczenia hydrodynamiczne mogą być (i prawie zawsze są) niezwykle trudne. Woda nie może być zimniejsza niż 0 ° (pomijając przechłodzenie). To oczywiście musi mieć miejsce w kontakcie z lodem. Ale zastanów się nad cylindrycznym kubkiem o średnicy 10 cm (id). Dysk o grubości 1 cm i średnicy (od) 9,9 cm do kubka? 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 znajdować się „w kontakcie” z lodem, ale nie oznacza to, że cała powierzchnia będzie średnio zimniejsza niż dolne 0,1 cm w kubku, ponieważ oczywiście zależy od rzeczy, których nie określiłeś. Wyobraź sobie jako ostatni „małpi klucz”, próbujący 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 zamarzasz woda 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 weźmy pod uwagę krąg lodu zamiast dysku, a co z szorstkością powierzchni wyściółki miseczek?

#4
+2
Osal Selaka
2017-06-25 18:29:12 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Kiedy temperatura spada, energia kinetyczna maleje, objętość maleje, a następnie gęstość rośnie. 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 przybrać regularny kształt. Tak więc głośność rośnie, a gęstość spada. Następnie po 4 ° C do obniżenia temperatury (3, 2, 1, 0, -1) (woda) unosi się na górze.

#5
+1
Dmitry Grigoryev
2017-06-26 16:04:24 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Aby zimna woda opadła na dno szklanki, musi być zimniejsza niż wyparta woda na dnie. Więc tak, najzimniejsza woda będzie na górze.



To pytanie i odpowiedź zostało automatycznie przetłumaczone z języka angielskiego.Oryginalna treść jest dostępna na stackexchange, za co dziękujemy za licencję cc by-sa 3.0, w ramach której jest rozpowszechniana.
Loading...