Tabla de Contenidos
Vi har alle set, hvordan isterninger smelter, når de lægges i vand eller en anden væske. Vi har også set, hvordan is placeret på et bord langsomt bliver til en lille pøl koldt vand. Men i hvilket af de to tilfælde smelter det hurtigere?
Denne artikel søger at illustrere nogle vigtige begreber om varmeoverførsel fra analysen af et af de mest almindelige fusionsfænomener, som vi er udsat for i vores daglige liv: smeltningen af en isterning.
Til vores diskussion, lad os starte med at definere nogle vigtige begreber.
fusionsprocessen
Smeltning af en isterning er en fysisk faseændringsproces, hvor vand skifter fra fast til flydende tilstand. Denne type faseændring kaldes smeltning og er en endoterm proces. Det sidste betyder, at isen skal optage varme for at smelte; det vil sige, at den skal bryde de intermolekylære kræfter, der holder vandmolekylerne fast sammen i isen.
Denne proces kan repræsenteres ved følgende ligning:
hvor Q- smeltning er den varme, som vandet skal optage for at smelte.
Som du kan se, er det eneste, der skal til for at smelte is, varme. Derfor, for at afgøre, hvornår is smelter hurtigere, om det er i vand eller i luft, er det, vi virkelig skal spørge, i hvilken situation is kan absorbere varme hurtigere.
Variabler, der påvirker fusionsprocessen
Fusion er en proces, der afhænger af flere faktorer såsom temperatur, tryk og tilstedeværelsen af opløste stoffer i væsken.
smeltetemperatur
For det første sker eller observeres denne faseændring ved en bestemt temperatur kaldet smeltepunktet. Det betyder, at for at et stof skal være i fast tilstand, skal det have en temperatur under dets smeltepunkt.
Det omvendte er også sandt. Når vi ser et stof i fast tilstand (såsom is), som ikke smelter, kan vi være sikre på, at det har en temperatur under dets smeltepunkt. For at smelte det skal vi først opvarme det faste stof til dets smeltepunkt og derefter tilføje mere varme for at smelte det.
Dette har en vigtig betydning for vores problem: Når vi overvejer, hvor en is vil smelte hurtigere, skal vi sikre, at den pågældende is i begge tilfælde har samme begyndelsestemperatur. Ellers vil der være behov for mere varme i ét tilfælde for at bringe isen til dets smeltepunkt.
trykeffekt
Smeltepunktet for de fleste faste stoffer stiger med trykket, men i tilfælde af vand er det lige det modsatte. Dette skyldes en unormal egenskab ved vand, som er, at vand i fast tilstand (dvs. is) i modsætning til langt de fleste rene stoffer er mindre tæt end flydende vand.
Dette forårsager en stigning i trykket for at hjælpe med at omdanne is til vand (som har et mindre specifikt volumen). Derfor kræves der mindre termisk energi for at adskille vandmolekylerne og smelte isen, og isen smelter ved en lavere temperatur (dvs. lettere).
opløste effekt
På den anden side er tilstedeværelsen af opløste stoffer eller urenheder i en væske også en faktor, der påvirker smeltepunktet. Faktisk er det en kolligativ egenskab ved løsninger kaldet kryoskopisk depression eller smeltepunktsdepression.
I betragtning af disse to faktorer, der kan påvirke vands smeltepunkt og derfor kan påvirke, hvor hurtigt en isterning smelter i sådan og sådan et medium, skal vi sørge for at fortsætte analysen og sikre, at vi i begge tilfælde har at gøre med vand, der er helt ren og fri for opløst stof. Vi skal også sikre, at det atmosfæriske tryk i begge tilfælde er det samme og forbliver konstant. Dette vil i høj grad lette analysen af problemet, så vi kan fokusere på den eneste variabel, der interesserer os: om isen er omgivet af flydende vand eller luft.
Varmeoverførselsmekanismer
Vi har allerede præciseret, at for at en is skal smelte, skal den absorbere varme fra omgivelserne. Denne varme vil først udfylde rollen som at opvarme isterningen til dens smeltepunkt og derefter udføre selve smelteprocessen.
Hvis vi starter med to isterninger af samme størrelse, form og masse, lavet af helt rent vand, og som har samme starttemperatur, så vil begge isterninger kræve nøjagtig samme mængde varme for at smelte.
Derfor er det, vi skal analysere, hvor isen hurtigere vil kunne optage varme: fra luften eller fra flydende vand. For at gøre dette skal vi forstå de forskellige måder, hvorpå varme kan overføres, som er: konvektion, ledning og stråling.
varmeledning
Denne overførselsmekanisme er den, der opstår ved direkte kontakt mellem de partikler, der danner to legemer (eller to termodynamiske systemer), der har forskellige temperaturer. Det er den type overførsel, der sker, når vi forbrænder vores hænder ved f.eks. at røre ved en varm pande. Det er også den type varmeudveksling, der sker mellem is og vand eller mellem is og luft.
Varmeledningshastigheden afhænger af flere faktorer. Blandt dem er kontaktfladen, temperaturgradienten (det vil sige temperaturforskellen mellem to punkter divideret med deres afstand) og mediets varmeledningsevne (som ikke er andet end et mål for, hvor godt varme leder et materiale).
Af alle disse variabler kan vi kontrollere kontaktfladen ved at sikre, at begge is har samme form og samme dimensioner. Vi kan også styre temperaturgradienten ved at styre starttemperaturen på både is, vand og luft. Den termiske ledningsevne vil dog være anderledes for luft og vand.
konvektion
Konvektion er et fænomen, der opstår i væsker som væsker og gasser. Det består af bevægelse af væskepartikler, der er ved en temperatur, mod områder, hvor temperaturen er anderledes. Konvektion kan være naturlig, hvis bevægelsen er genereret af forskelle i densitet forårsaget af forskelle i temperatur, eller den kan fremstilles mekanisk, som når der blæses varm mad.
Strålingen
Endelig udsender hver overflade energi i form af elektromagnetisk stråling. For eksempel er ilden i stand til at opvarme os med sin lysstyrke, selvom vi ikke kommer i kontakt med den varme luft, der udgår ved konvektion.
Så hvor smelter isen hurtigst?
Vi har nu alle værktøjerne til at besvare dette spørgsmål. For at forenkle analysen så meget som muligt, vil vi sørge for at holde konstant alle de variabler, der kan påvirke smeltningen af vandet, og kun beholde dem, der er direkte afhængige af luft og vand.
Vi starter med to identiske isterninger lavet af rent vand, med samme form og samme størrelse; begge har samme begyndelsestemperatur. Vi nedsænker den ene i en stor beholder med vand, der har samme temperatur som luften, og vi placerer den anden oven på en termisk isolerende overflade i kontakt med luften. Vi laver hele forsøget i et lukket rum, hvor der ikke er træk, hvilket minimerer alle former for varmeoverførsel undtagen ledning.
Derudover vil ledningen hovedsageligt bestemmes af mediets materiale; i begge tilfælde vil temperaturgradienten i det væsentlige være den samme, og kontaktfladen vil være den samme, så varmeoverførselshastigheden og derfor hastigheden, hvormed isen smelter, vil hovedsageligt afhænge af halvdelens varmeledningsevne.
Da vand leder varme næsten 30 gange hurtigere end luft, vil is smelte hurtigere i vand .
Yderligere faktorer at overveje
Det skal bemærkes, at ovenstående ikke repræsenterer en dyb og detaljeret analyse af problemet. For eksempel er det ikke taget i betragtning, at is flyder på vand, så en del af den vil være udsat for luften og ikke være i termisk kontakt med vandet.
Det samme sker med is, der er i luften, da den nødvendigvis må hvile på en eller anden overflade, så en af dens ansigter vil ikke være i kontakt med luften, men med den overflade. Hvis den termiske ledningsevne af denne overflade er større end luftens, vil isen absorbere varme hurtigere gennem denne overflade og smelte hurtigere.
Også ved smeltning øger det overfladearealet af den smeltede is (dvs. vand) i kontakt med overfladen, hvilket forværrer effekten.
På trods af dette kan det vurderes, at disse effekter vil være mindre sammenlignet med den store forskel mellem vands og lufts varmeledningsevne.
Referencer
- Connor, N. (2020, 8. januar). Hvad er den termiske ledningsevne af vand og damp? – Definition . Hentet fra https://www.thermal-engineering.org/es/que-es-la-conductividad-termica-del-agua-y-el-vapor-definicion/
- Laplace.us. (nd). Vand egenskaber . Hentet fra http://laplace.us.es/wiki/index.php/Propiedades_del_agua
- MINEDUC. (2019). Varmeoverførsel . Hentet fra https://www.mineduc.gob.gt/DIGECADE/documents/Telesecundaria/Recursos%20Digitales/3o%20Recursos%20Digitales%20TS%20BY-SA%203.0/CIENCIAS%20NATURALES/U9%210%200transferen%200%200%cia 20af%20varme.pdf
- Termotest instrumenter. (2020, 28. august). Termisk ledende materialer og almindelige anvendelser . Hentet fra https://thermtest.com/latinamerica/materiales-termicamente-conductores-y-aplicaciones-comunes
