Tabla de Contenidos
Όλοι έχουμε δει πώς λιώνουν τα παγάκια όταν τοποθετούνται σε νερό ή κάποιο άλλο υγρό. Είδαμε επίσης πώς ο πάγος που τοποθετείται σε ένα τραπέζι μετατρέπεται αργά σε μια μικρή λακκούβα με κρύο νερό. Σε ποια από τις δύο περιπτώσεις όμως λιώνει πιο γρήγορα;
Αυτό το άρθρο προσπαθεί να επεξηγήσει ορισμένες σημαντικές έννοιες σχετικά με τη μεταφορά θερμότητας από την ανάλυση ενός από τα πιο κοινά φαινόμενα σύντηξης στα οποία είμαστε εκτεθειμένοι στην καθημερινή μας ζωή: το λιώσιμο ενός κύβου πάγου.
Για τη συζήτησή μας, ας ξεκινήσουμε ορίζοντας μερικές σημαντικές έννοιες.
τη διαδικασία συγχώνευσης
Το λιώσιμο ενός κύβου πάγου είναι μια φυσική διαδικασία αλλαγής φάσης κατά την οποία το νερό αλλάζει από στερεή σε υγρή κατάσταση. Αυτός ο τύπος αλλαγής φάσης ονομάζεται τήξη και είναι μια ενδόθερμη διαδικασία. Το τελευταίο σημαίνει ότι ο πάγος πρέπει να απορροφήσει θερμότητα για να λιώσει. πρέπει δηλαδή να σπάσει τις διαμοριακές δυνάμεις που συγκρατούν τα μόρια του νερού σταθερά μεταξύ τους στον πάγο.
Αυτή η διαδικασία μπορεί να αναπαρασταθεί από την ακόλουθη εξίσωση:
όπου Q τήξη είναι η θερμότητα που πρέπει να απορροφήσει το νερό για να λιώσει.
Όπως μπορείτε να δείτε, το μόνο που χρειάζεται για να λιώσει ο πάγος είναι θερμότητα. Επομένως, για να προσδιορίσουμε πότε ο πάγος λιώνει πιο γρήγορα, αν βρίσκεται στο νερό ή στον αέρα, αυτό που πραγματικά πρέπει να ρωτήσουμε είναι σε ποια κατάσταση μπορεί ο πάγος να απορροφήσει θερμότητα πιο γρήγορα.
Μεταβλητές που επηρεάζουν τη διαδικασία σύντηξης
Η σύντηξη είναι μια διαδικασία που εξαρτάται από πολλούς παράγοντες όπως η θερμοκρασία, η πίεση και η παρουσία διαλυμένων ουσιών στο υγρό.
θερμοκρασία τήξης
Πρώτον, αυτή η αλλαγή φάσης συμβαίνει ή παρατηρείται σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία που ονομάζεται σημείο τήξης. Αυτό σημαίνει ότι, για να είναι μια ουσία σε στερεή κατάσταση, πρέπει να βρίσκεται σε θερμοκρασία κάτω από το σημείο τήξης της.
Ισχύει και το αντίστροφο. Κάθε φορά που βλέπουμε μια ουσία σε στερεή κατάσταση (όπως ο πάγος) που δεν λιώνει, μπορούμε να είμαστε σίγουροι ότι βρίσκεται σε θερμοκρασία κάτω από το σημείο τήξης της. Για να το λιώσουμε πρέπει πρώτα να ζεστάνουμε το στερεό μέχρι το σημείο τήξης του και μετά να προσθέσουμε περισσότερη θερμότητα για να λιώσει.
Αυτό έχει μια σημαντική συνέπεια για το πρόβλημά μας: όταν εξετάζουμε πού θα λιώσει ο πάγος πιο γρήγορα, πρέπει να διασφαλίσουμε ότι και στις δύο περιπτώσεις ο εν λόγω πάγος βρίσκεται στην ίδια αρχική θερμοκρασία. Διαφορετικά, θα χρειαστεί περισσότερη θερμότητα σε μια περίπτωση για να φτάσει ο πάγος στο σημείο τήξης του.
επίδραση πίεσης
Το σημείο τήξης των περισσότερων στερεών αυξάνεται με την πίεση, αλλά στην περίπτωση του νερού, ισχύει ακριβώς το αντίθετο. Αυτό οφείλεται σε μια ανώμαλη ιδιότητα του νερού, η οποία είναι ότι, σε αντίθεση με τη συντριπτική πλειοψηφία των καθαρών ουσιών, το νερό σε στερεή κατάσταση (δηλ. πάγος) είναι λιγότερο πυκνό από το υγρό νερό.
Αυτό προκαλεί αύξηση της πίεσης για να βοηθήσει στη μετατροπή του πάγου σε νερό (το οποίο έχει μικρότερο ειδικό όγκο). Επομένως, απαιτείται λιγότερη θερμική ενέργεια για να διαχωριστούν τα μόρια του νερού και να λιώσει ο πάγος και ο πάγος λιώνει σε χαμηλότερη θερμοκρασία (δηλαδή πιο εύκολα).
επίδραση διαλυμένης ουσίας
Από την άλλη πλευρά, η παρουσία διαλυμένων ουσιών ή ακαθαρσιών σε ένα υγρό είναι επίσης ένας παράγοντας που επηρεάζει το σημείο τήξης. Στην πραγματικότητα, είναι μια συλλογική ιδιότητα των διαλυμάτων που ονομάζεται κρυοσκοπική κατάθλιψη ή κατάθλιψη σημείου τήξης.
Δεδομένων αυτών των δύο παραγόντων που μπορούν να επηρεάσουν το σημείο τήξης του νερού και επομένως μπορούν να επηρεάσουν το πόσο γρήγορα λιώνει ένα παγάκι σε ένα τέτοιο μέσο, πρέπει να φροντίσουμε να συνεχίσουμε την ανάλυση διασφαλίζοντας ότι και στις δύο περιπτώσεις έχουμε να κάνουμε με νερό που είναι εντελώς καθαρό και απαλλαγμένο από κάθε διαλυτή ουσία. Πρέπει επίσης να διασφαλίσουμε ότι και στις δύο περιπτώσεις η ατμοσφαιρική πίεση είναι η ίδια και παραμένει σταθερή. Αυτό θα διευκολύνει πολύ την ανάλυση του προβλήματος, ώστε να μπορέσουμε να επικεντρωθούμε στη μόνη μεταβλητή που μας ενδιαφέρει: αν ο πάγος περιβάλλεται από υγρό νερό ή αέρα.
Μηχανισμοί μεταφοράς θερμότητας
Έχουμε ήδη διευκρινίσει ότι για να λιώσει ένας πάγος χρειάζεται να απορροφήσει θερμότητα από το περιβάλλον του. Αυτή η θερμότητα θα εκπληρώσει πρώτα τον ρόλο της θέρμανσης του παγοκύβου μέχρι το σημείο τήξης του και στη συνέχεια θα πραγματοποιήσει την ίδια τη διαδικασία τήξης.
Αν ξεκινήσουμε με δύο παγάκια ίδιου μεγέθους, σχήματος και μάζας, κατασκευασμένα από εντελώς καθαρό νερό και που βρίσκονται στην ίδια αρχική θερμοκρασία, τότε και τα δύο παγάκια θα χρειαστούν ακριβώς την ίδια ποσότητα θερμότητας για να λιώσουν.
Επομένως, αυτό που πρέπει να αναλύσουμε είναι πού θα μπορέσει ο πάγος να απορροφήσει θερμότητα πιο γρήγορα: από τον αέρα ή από το υγρό νερό. Για να γίνει αυτό, πρέπει να κατανοήσουμε τους διαφορετικούς τρόπους με τους οποίους μπορεί να μεταφερθεί η θερμότητα, οι οποίοι είναι: η μεταφορά, η αγωγή και η ακτινοβολία.
αγωγιμότητα θερμότητας
Αυτός ο μηχανισμός μεταφοράς είναι αυτός που συμβαίνει με την άμεση επαφή μεταξύ των σωματιδίων που σχηματίζουν δύο σώματα (ή δύο θερμοδυναμικά συστήματα) που βρίσκονται σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Είναι το είδος της μεταφοράς που συμβαίνει όταν καίμε τα χέρια μας αγγίζοντας ένα καυτό τηγάνι, για παράδειγμα. Είναι επίσης ο τύπος ανταλλαγής θερμότητας που συμβαίνει μεταξύ πάγου και νερού ή μεταξύ πάγου και αέρα.
Ο ρυθμός αγωγιμότητας της θερμότητας εξαρτάται από διάφορους παράγοντες. Μεταξύ αυτών είναι η επιφάνεια επαφής, η κλίση θερμοκρασίας (δηλαδή, η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ δύο σημείων διαιρούμενη με την απόστασή τους) και η θερμική αγωγιμότητα του μέσου (που δεν είναι τίποτα άλλο από ένα μέτρο του πόσο καλά η θερμότητα άγει ένα υλικό).
Από όλες αυτές τις μεταβλητές, μπορούμε να ελέγξουμε την επιφάνεια επαφής διασφαλίζοντας ότι και οι δύο πάγοι έχουν το ίδιο σχήμα και τις ίδιες διαστάσεις. Μπορούμε επίσης να ελέγξουμε τη διαβάθμιση θερμοκρασίας ελέγχοντας την αρχική θερμοκρασία τόσο του πάγου, του νερού όσο και του αέρα. Ωστόσο, η θερμική αγωγιμότητα θα είναι διαφορετική στην περίπτωση του αέρα και του νερού.
μεταγωγή
Η μεταφορά είναι ένα φαινόμενο που εμφανίζεται σε ρευστά όπως υγρά και αέρια. Αποτελείται από την κίνηση σωματιδίων ρευστού που βρίσκονται σε μία θερμοκρασία προς περιοχές όπου η θερμοκρασία είναι διαφορετική. Η μεταφορά μπορεί να είναι φυσική εάν η κίνηση προκαλείται από διαφορές στην πυκνότητα που προκαλούνται από διαφορές στη θερμοκρασία ή μπορεί να παραχθεί μηχανικά όπως όταν φυσάται ζεστό φαγητό.
Η ακτινοβολία
Τέλος, κάθε επιφάνεια εκπέμπει ενέργεια με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Για παράδειγμα, η φωτιά είναι ικανή να μας ζεστάνει με τη φωτεινότητά της ακόμα κι αν δεν έρθουμε σε επαφή με τον ζεστό αέρα που εκπέμπεται με συναγωγή.
Πού λιώνει λοιπόν ο πάγος πιο γρήγορα;
Τώρα έχουμε όλα τα εργαλεία για να απαντήσουμε σε αυτήν την ερώτηση. Για να απλοποιήσουμε την ανάλυση όσο το δυνατόν περισσότερο, θα φροντίσουμε να διατηρήσουμε σταθερές όλες εκείνες τις μεταβλητές που μπορούν να επηρεάσουν την τήξη του νερού και να διατηρήσουμε μόνο αυτές που εξαρτώνται άμεσα από τον αέρα και το νερό.
Ξεκινάμε με δύο πανομοιότυπα παγάκια από καθαρό νερό, με το ίδιο σχήμα και το ίδιο μέγεθος. και τα δύο είναι στην ίδια αρχική θερμοκρασία. Βυθίζουμε το ένα σε ένα μεγάλο δοχείο με νερό που έχει την ίδια θερμοκρασία με τον αέρα και το άλλο τοποθετούμε πάνω σε θερμομονωτική επιφάνεια σε επαφή με τον αέρα. Κάνουμε ολόκληρο το πείραμα σε ένα κλειστό δωμάτιο όπου δεν υπάρχουν ρεύματα, ελαχιστοποιώντας όλες τις μορφές μεταφοράς θερμότητας εκτός από την αγωγιμότητα.
Επιπλέον, η αγωγιμότητα θα καθοριστεί κυρίως από το υλικό του μέσου. Και στις δύο περιπτώσεις η διαβάθμιση θερμοκρασίας θα είναι ουσιαστικά η ίδια και η επιφάνεια επαφής θα είναι η ίδια, οπότε ο ρυθμός μεταφοράς θερμότητας και επομένως η ταχύτητα με την οποία θα λιώσει ο πάγος θα εξαρτηθεί κυρίως από τη θερμική αγωγιμότητα του μισού.
Δεδομένου ότι το νερό μεταφέρει τη θερμότητα σχεδόν 30 φορές πιο γρήγορα από τον αέρα, ο πάγος θα λιώσει πιο γρήγορα στο νερό .
Πρόσθετοι παράγοντες που πρέπει να ληφθούν υπόψη
Πρέπει να σημειωθεί ότι τα παραπάνω δεν αντιπροσωπεύουν μια βαθιά και λεπτομερή ανάλυση του προβλήματος. Για παράδειγμα, το γεγονός ότι ο πάγος επιπλέει στο νερό δεν λαμβάνεται υπόψη, επομένως ένα μέρος του θα εκτεθεί στον αέρα και δεν θα έρθει σε θερμική επαφή με το νερό.
Το ίδιο συμβαίνει και με τον πάγο που βρίσκεται στον αέρα, αφού πρέπει απαραίτητα να ακουμπάει σε κάποια επιφάνεια, οπότε το ένα του πρόσωπο δεν θα έρχεται σε επαφή με τον αέρα αλλά με την εν λόγω επιφάνεια. Εάν η θερμική αγωγιμότητα αυτής της επιφάνειας είναι μεγαλύτερη από αυτή του αέρα, ο πάγος θα απορροφήσει θερμότητα πιο γρήγορα μέσω αυτής της επιφάνειας, λιώνοντας πιο γρήγορα.
Επίσης, κατά την τήξη, αυξάνει την επιφάνεια του λιωμένου πάγου (δηλαδή του νερού) σε επαφή με την επιφάνεια, επιδεινώνοντας το αποτέλεσμα.
Παρόλα αυτά, μπορεί να εκτιμηθεί ότι αυτές οι επιδράσεις θα είναι μικρές σε σύγκριση με τη μεγάλη διαφορά μεταξύ της θερμικής αγωγιμότητας του νερού και του αέρα.
βιβλιογραφικές αναφορές
- Connor, N. (2020, 8 Ιανουαρίου). Ποια είναι η θερμική αγωγιμότητα του νερού και του ατμού; – Ορισμός . Ανακτήθηκε από https://www.thermal-engineering.org/es/que-es-la-conductividad-termica-del-agua-y-el-vapor-definicion/
- Laplace.us. (ν). Ιδιότητες νερού . Ανακτήθηκε από http://laplace.us.es/wiki/index.php/Propiedades_del_agua
- MINEDUC. (2019). Μεταφορά θερμότητας . Ανακτήθηκε από https://www.mineduc.gob.gt/DIGECADE/documents/Telesecundaria/Recursos%20Digitales/3o%20Recursos%20Digitales%20TS%20BY-SA%203.0/CIENCIAS%20NATURALES%20NATURALES%20pp20% 20%20heat.pdf
- Θερμοδοκιμή Όργανα. (2020, 28 Αυγούστου). Θερμικά αγώγιμα υλικά και κοινές εφαρμογές . Ανακτήθηκε από https://thermtest.com/latinamerica/materiales-termicamente-conductores-y-aplicaciones-comunes
