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Wir haben alle gesehen, wie Eiswürfel schmelzen, wenn sie in Wasser oder eine andere Flüssigkeit gelegt werden. Wir haben auch gesehen, wie sich Eis auf einem Tisch langsam in eine kleine Pfütze mit kaltem Wasser verwandelt. Aber in welchem der beiden Fälle schmilzt es schneller?
Dieser Artikel versucht, einige wichtige Konzepte zur Wärmeübertragung aus der Analyse eines der häufigsten Fusionsphänomene zu veranschaulichen, denen wir in unserem täglichen Leben ausgesetzt sind: dem Schmelzen eines Eiswürfels.
Beginnen wir für unsere Diskussion mit der Definition einiger wichtiger Konzepte.
den Fusionsprozess
Das Schmelzen eines Eiswürfels ist ein physikalischer Phasenwechselprozess, bei dem Wasser von einem festen in einen flüssigen Zustand übergeht. Diese Art der Phasenänderung wird als Schmelzen bezeichnet und ist ein endothermer Prozess. Letzteres bedeutet, dass das Eis Wärme aufnehmen muss, um zu schmelzen; Das heißt, es muss die zwischenmolekularen Kräfte brechen, die die Wassermoleküle im Eis fest zusammenhalten.
Dieser Prozess kann durch die folgende Gleichung dargestellt werden:
wobei Q Schmelzen die Wärme ist, die das Wasser aufnehmen muss, um zu schmelzen.
Wie Sie sehen, braucht es zum Schmelzen von Eis nur Wärme. Um also festzustellen, wann Eis schneller schmilzt, ob in Wasser oder in Luft, müssen wir uns wirklich fragen, in welcher Situation Eis schneller Wärme aufnehmen kann.
Variablen, die den Fusionsprozess beeinflussen
Fusion ist ein Prozess, der von mehreren Faktoren wie Temperatur, Druck und dem Vorhandensein von gelösten Stoffen in der Flüssigkeit abhängt.
Schmelztemperatur
Erstens tritt diese Phasenänderung auf oder wird bei einer bestimmten Temperatur beobachtet, die als Schmelzpunkt bezeichnet wird. Das bedeutet, dass eine Substanz, um in einem festen Zustand zu sein, eine Temperatur unter ihrem Schmelzpunkt haben muss.
Das Gegenteil ist auch wahr. Wann immer wir eine Substanz in einem festen Zustand sehen (z. B. Eis), die nicht schmilzt, können wir sicher sein, dass sie eine Temperatur unterhalb ihres Schmelzpunkts hat. Um es zu schmelzen, müssen wir zuerst den Feststoff auf seinen Schmelzpunkt erhitzen und dann mehr Wärme hinzufügen, um ihn zu schmelzen.
Dies hat eine wichtige Implikation für unser Problem: Wenn wir überlegen, wo ein Eis schneller schmilzt, müssen wir sicherstellen, dass das betreffende Eis in beiden Fällen dieselbe Anfangstemperatur hat. Andernfalls wird in einem Fall mehr Wärme benötigt, um das Eis auf seinen Schmelzpunkt zu bringen.
Druckwirkung
Der Schmelzpunkt der meisten Feststoffe steigt mit dem Druck, aber im Fall von Wasser ist genau das Gegenteil der Fall. Dies liegt an einer anomalen Eigenschaft von Wasser, nämlich dass Wasser in festem Zustand (dh Eis) im Gegensatz zu den meisten reinen Substanzen eine geringere Dichte als flüssiges Wasser hat.
Dies führt zu einem Druckanstieg, der dazu beiträgt, Eis in Wasser umzuwandeln (das ein kleineres spezifisches Volumen hat). Daher ist weniger Wärmeenergie erforderlich, um die Wassermoleküle zu trennen und das Eis zu schmelzen, und das Eis schmilzt bei einer niedrigeren Temperatur (dh leichter).
gelöster Effekt
Andererseits ist das Vorhandensein von gelösten Stoffen oder Verunreinigungen in einer Flüssigkeit auch ein Faktor, der den Schmelzpunkt beeinflusst. Tatsächlich handelt es sich um eine kolligative Eigenschaft von Lösungen, die als kryoskopische Depression oder Schmelzpunktdepression bezeichnet wird.
Angesichts dieser beiden Faktoren, die den Schmelzpunkt von Wasser beeinflussen können und daher beeinflussen können, wie schnell ein Eiswürfel in diesem und jenem Medium schmilzt, müssen wir sicherstellen, dass wir die Analyse fortsetzen und sicherstellen, dass wir es in beiden Fällen mit Wasser zu tun haben, das vollständig ist rein und frei von gelösten Stoffen. Wir müssen auch sicherstellen, dass in beiden Fällen der atmosphärische Druck gleich ist und konstant bleibt. Dies erleichtert die Analyse des Problems erheblich, sodass wir uns auf die einzige Variable konzentrieren können, die uns interessiert: ob das Eis von flüssigem Wasser oder Luft umgeben ist.
Wärmeübertragungsmechanismen
Wir haben bereits klargestellt, dass ein Eis zum Schmelzen Wärme aus seiner Umgebung aufnehmen muss. Diese Wärme erfüllt zunächst die Aufgabe, den Eiswürfel bis zu seinem Schmelzpunkt zu erhitzen und dann den Schmelzprozess selbst durchzuführen.
Wenn wir mit zwei Eiswürfeln gleicher Größe, Form und Masse beginnen, die aus völlig reinem Wasser bestehen und die gleiche Anfangstemperatur haben, dann benötigen beide Eiswürfel genau die gleiche Wärmemenge, um zu schmelzen.
Wir müssen also analysieren, wo das Eis schneller Wärme aufnehmen kann: aus der Luft oder aus flüssigem Wasser. Dazu müssen wir die verschiedenen Wege verstehen, auf denen Wärme übertragen werden kann, nämlich: Konvektion, Wärmeleitung und Strahlung.
Wärmeleitung
Dieser Übertragungsmechanismus ist derjenige, der durch direkten Kontakt zwischen den Partikeln auftritt, die zwei Körper (oder zwei thermodynamische Systeme) mit unterschiedlichen Temperaturen bilden. Es ist die Art der Übertragung, die auftritt, wenn wir uns zum Beispiel die Hände verbrennen, indem wir eine heiße Pfanne berühren. Es ist auch die Art des Wärmeaustauschs, der zwischen Eis und Wasser oder zwischen Eis und Luft stattfindet.
Die Geschwindigkeit der Wärmeleitung hängt von mehreren Faktoren ab. Dazu gehören die Kontaktfläche, der Temperaturgradient (also die Temperaturdifferenz zwischen zwei Punkten dividiert durch ihren Abstand) und die Wärmeleitfähigkeit des Mediums (die nichts anderes ist als ein Maß dafür, wie gut Wärme ein Material leitet).
Von all diesen Variablen können wir die Kontaktfläche kontrollieren, indem wir sicherstellen, dass beide Eiswürfel die gleiche Form und die gleichen Abmessungen haben. Wir können auch den Temperaturgradienten steuern, indem wir die Anfangstemperatur von Eis, Wasser und Luft steuern. Allerdings ist die Wärmeleitfähigkeit bei Luft und Wasser unterschiedlich.
Konvektion
Konvektion ist ein Phänomen, das in Fluiden wie Flüssigkeiten und Gasen auftritt. Es besteht aus der Bewegung von Fluidpartikeln, die eine Temperatur haben, in Richtung von Bereichen, in denen die Temperatur unterschiedlich ist. Konvektion kann natürlich sein, wenn die Bewegung durch Dichteunterschiede verursacht wird, die durch Temperaturunterschiede verursacht werden, oder sie kann mechanisch erzeugt werden, wie wenn heiße Speisen geblasen werden.
Die Strahlung
Schließlich gibt jede Oberfläche Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung ab. Zum Beispiel ist das Feuer in der Lage, uns mit seiner Helligkeit zu erwärmen, auch wenn wir nicht mit der heißen Luft in Berührung kommen, die durch Konvektion ausströmt.
Wo schmilzt das Eis am schnellsten?
Wir haben jetzt alle Werkzeuge, um diese Frage zu beantworten. Um die Analyse so weit wie möglich zu vereinfachen, werden wir sicherstellen, dass alle Variablen, die das Schmelzen des Wassers beeinflussen können, konstant gehalten werden und nur diejenigen beibehalten werden, die direkt von Luft und Wasser abhängen.
Wir beginnen mit zwei identischen Eiswürfeln aus reinem Wasser, mit derselben Form und derselben Größe; beide haben die gleiche Anfangstemperatur. Wir tauchen einen in einen großen Behälter mit Wasser, das die gleiche Temperatur wie die Luft hat, und legen den anderen auf eine wärmeisolierende Oberfläche in Kontakt mit der Luft. Wir führen das gesamte Experiment in einem geschlossenen Raum durch, in dem es keine Zugluft gibt, wodurch alle Formen der Wärmeübertragung außer Wärmeleitung minimiert werden.
Außerdem wird die Leitung hauptsächlich durch das Material des Mediums bestimmt; In beiden Fällen ist der Temperaturgradient im Wesentlichen gleich und die Kontaktfläche ist gleich, sodass die Wärmeübertragungsrate und damit die Geschwindigkeit, mit der das Eis schmilzt, hauptsächlich von der Wärmeleitfähigkeit der Hälfte abhängt.
Da Wasser Wärme fast 30-mal schneller leitet als Luft, schmilzt Eis in Wasser schneller .
Zusätzliche zu berücksichtigende Faktoren
Es sei darauf hingewiesen, dass das Obige keine tiefgreifende und detaillierte Analyse des Problems darstellt. Beispielsweise wird nicht berücksichtigt, dass Eis auf Wasser schwimmt, sodass ein Teil davon der Luft ausgesetzt ist und nicht in thermischem Kontakt mit dem Wasser steht.
Dasselbe passiert mit Eis in der Luft, da es notwendigerweise auf einer Oberfläche ruhen muss, sodass eine seiner Flächen nicht mit der Luft, sondern mit dieser Oberfläche in Kontakt kommt. Wenn die Wärmeleitfähigkeit dieser Oberfläche größer ist als die von Luft, nimmt das Eis durch diese Oberfläche schneller Wärme auf und schmilzt schneller.
Außerdem vergrößert es beim Schmelzen die Oberfläche des geschmolzenen Eises (d. h. Wasser) in Kontakt mit der Oberfläche, was den Effekt verstärkt.
Trotzdem kann davon ausgegangen werden, dass diese Effekte im Vergleich zum großen Unterschied zwischen den Wärmeleitfähigkeiten von Wasser und Luft gering sein werden.
Verweise
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