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우리는 얼음을 물이나 다른 액체에 넣었을 때 얼음이 어떻게 녹는지를 모두 보았습니다. 우리는 또한 탁자 위에 놓인 얼음이 천천히 작은 찬물 웅덩이로 변하는 것을 보았습니다. 그러나 두 경우 중 어느 경우에 더 빨리 녹습니까?
이 기사는 일상 생활에서 노출되는 가장 일반적인 핵융합 현상 중 하나인 얼음이 녹는 현상을 분석하여 열 전달에 대한 몇 가지 중요한 개념을 설명하고자 합니다.
토론을 위해 몇 가지 중요한 개념을 정의하는 것부터 시작하겠습니다.
합병 과정
각얼음이 녹는 것은 물이 고체에서 액체 상태로 변하는 물리적 상 변화 과정입니다. 이러한 유형의 상 변화를 용융이라고 하며 흡열 과정입니다. 후자는 얼음이 녹기 위해 열을 흡수해야 함을 의미합니다. 즉, 얼음에서 물 분자를 단단히 고정시키는 분자간 힘을 깨뜨려야 합니다.
이 프로세스는 다음 방정식으로 나타낼 수 있습니다.
여기서 Q 용융 은 물이 녹기 위해 흡수해야 하는 열입니다.
보시다시피 얼음을 녹이는 데 필요한 것은 열뿐입니다. 따라서 얼음이 더 빨리 녹는 시기를 결정하기 위해 물 속이든 공기 속이든 얼음이 더 빨리 열을 흡수할 수 있는 상황이 무엇인지 물어야 합니다.
융합 과정에 영향을 미치는 변수
융합은 온도, 압력 및 액체 내 용질의 존재와 같은 여러 요인에 따라 달라지는 과정입니다.
녹는 온도
첫째, 이 상 변화는 녹는점이라고 하는 특정 온도에서 발생하거나 관찰됩니다. 이것이 의미하는 바는 물질이 고체 상태에 있으려면 녹는점보다 낮은 온도에 있어야 한다는 것입니다.
그 반대도 마찬가지입니다. 녹지 않는 고체 상태(예: 얼음)의 물질을 볼 때마다 온도가 녹는점보다 낮다는 것을 확신할 수 있습니다. 그것을 녹이려면 먼저 고체를 녹는점까지 가열한 다음 더 많은 열을 가하여 녹여야 합니다.
이것은 우리의 문제에 중요한 의미가 있습니다. 얼음이 더 빨리 녹는 곳을 고려할 때 두 경우 모두 문제의 얼음이 동일한 초기 온도에 있는지 확인해야 합니다. 그렇지 않으면 얼음을 녹는점까지 가져오기 위해 한 경우에 더 많은 열이 필요할 것입니다.
압력 효과
대부분의 고체의 융점은 압력에 따라 증가하지만 물의 경우에는 그 반대입니다. 이는 대부분의 순수 물질과 달리 고체 상태의 물(예: 얼음)이 액체 상태의 물보다 밀도가 낮다는 물의 변칙적인 특성 때문입니다.
이로 인해 압력이 증가하여 얼음을 물로 변환하는 데 도움이 됩니다(비체적이 더 작음). 따라서 물 분자를 분리하고 얼음을 녹이는 데 더 적은 열 에너지가 필요하고 얼음은 더 낮은 온도에서(즉, 더 쉽게) 녹습니다.
용질 효과
한편, 액체에 용해된 용질이나 불순물의 존재도 융점에 영향을 미치는 요인입니다. 사실 이것은 극저온 저하 또는 녹는점 저하라고 하는 용액의 집합적 특성 입니다 .
물의 녹는점에 영향을 미칠 수 있는 이 두 가지 요인을 감안할 때 각얼음이 그러한 매질에서 얼마나 빨리 녹는지에 영향을 미칠 수 있으므로 두 경우 모두 완전히 녹는 물을 다루고 있는지 확인하면서 분석을 계속해야 합니다. 순수하고 용질이 없습니다. 또한 두 경우 모두 대기압이 동일하고 일정하게 유지되도록 해야 합니다. 이것은 문제 분석을 크게 용이하게 하여 우리가 관심을 갖는 유일한 변수인 얼음이 액체 상태의 물 또는 공기로 둘러싸여 있는지 여부에 집중할 수 있습니다.
열 전달 메커니즘
우리는 이미 얼음이 녹기 위해서는 주변으로부터 열을 흡수해야 한다는 것을 명확히 했습니다. 이 열은 먼저 각얼음을 녹는점까지 가열하는 역할을 수행한 다음 녹는 과정 자체를 수행합니다.
크기, 모양 및 질량이 같고 완전히 순수한 물로 만들어졌으며 초기 온도가 동일한 두 개의 얼음으로 시작하면 두 얼음이 녹는 데 정확히 같은 양의 열이 필요합니다.
따라서 우리가 분석해야 하는 것은 얼음이 어디에서 더 빨리 열을 흡수할 수 있는지입니다: 공기 또는 액체 상태의 물. 이를 위해서는 대류, 전도 및 복사와 같은 열이 전달될 수 있는 다양한 방식을 이해해야 합니다.
열 전도
이 전달 메커니즘은 온도가 다른 두 개의 몸체(또는 두 개의 열역학 시스템)를 형성하는 입자 간의 직접 접촉에 의해 발생하는 메커니즘입니다. 예를 들어 뜨거운 팬을 만져 손을 데었을 때 발생하는 전이 유형입니다. 얼음과 물 사이 또는 얼음과 공기 사이에서 일어나는 열교환의 일종이기도 하다.
열전도율은 몇 가지 요인에 따라 달라집니다. 그 중에는 접촉 표면, 온도 구배(즉, 두 지점 사이의 온도 차이를 거리로 나눈 값) 및 매체의 열전도율(열이 재료를 얼마나 잘 전도하는지에 대한 척도에 불과함)이 있습니다.
이러한 모든 변수 중에서 두 얼음이 동일한 모양과 치수를 갖도록 하여 접촉 표면을 제어할 수 있습니다. 또한 얼음, 물, 공기의 초기 온도를 제어하여 온도 구배를 제어할 수도 있습니다. 그러나 공기와 물의 경우 열전도율이 다를 수 있습니다.
전달
대류는 액체 및 기체와 같은 유체에서 발생하는 현상입니다. 그것은 온도가 다른 영역으로 한 온도에 있는 유체 입자의 이동으로 구성됩니다. 대류는 온도의 차이로 인한 밀도의 차이로 움직임이 발생하는 경우 자연스러운 현상일 수도 있고, 뜨거운 음식을 날릴 때와 같이 기계적인 현상일 수도 있습니다.
방사선
마지막으로 모든 표면은 전자기 복사의 형태로 에너지를 방출합니다. 예를 들어, 불은 대류에 의해 방출되는 뜨거운 공기와 접촉하지 않아도 그 밝기로 우리를 가열할 수 있습니다.
그렇다면 얼음이 가장 빨리 녹는 곳은 어디일까요?
이제 이 질문에 답할 수 있는 모든 도구가 있습니다. 가능한 한 분석을 단순화하기 위해 우리는 물의 용융에 영향을 줄 수 있는 모든 변수를 일정하게 유지하고 공기와 물에 직접적으로 의존하는 변수만 유지하도록 할 것입니다.
순수한 물로 만든 모양과 크기가 같은 두 개의 동일한 얼음으로 시작합니다. 둘 다 동일한 초기 온도에 있습니다. 하나는 공기와 같은 온도의 물이 담긴 큰 용기에 담그고 다른 하나는 공기와 접촉하는 단열 표면 위에 놓습니다. 우리는 외풍이 없는 밀폐된 방에서 전체 실험을 수행하여 전도를 제외한 모든 형태의 열 전달을 최소화합니다.
또한 전도는 주로 매질의 재질에 따라 결정됩니다. 두 경우 모두 온도 구배가 본질적으로 동일하고 접촉 표면이 동일하므로 열 전달 속도, 즉 얼음이 녹는 속도는 주로 절반의 열전도율에 따라 달라집니다.
물은 공기보다 거의 30배 더 빨리 열을 전도하기 때문에 얼음은 물에서 더 빨리 녹습니다 .
고려해야 할 추가 요소
위의 내용은 문제에 대한 심층적이고 상세한 분석을 나타내지 않는다는 점에 유의해야 합니다. 예를 들어, 얼음이 물 위에 떠 있다는 사실은 고려되지 않았기 때문에 얼음의 일부가 공기에 노출되어 물과 열 접촉하지 않을 것입니다.
공기 중에 있는 얼음도 마찬가지입니다. 얼음은 반드시 어떤 표면에 놓여 있어야 하기 때문에 표면 중 하나가 공기와 접촉하지 않고 그 표면과 접촉하게 됩니다. 이 표면의 열전도율이 공기의 열전도율보다 크면 얼음이 이 표면을 통해 더 빨리 열을 흡수하여 더 빨리 녹습니다.
또한 녹으면서 표면에 닿는 녹은 얼음(즉, 물)의 표면적을 증가시켜 그 효과를 악화시킨다.
그럼에도 불구하고 이러한 영향은 물과 공기의 열전도율의 큰 차이와 비교할 때 미미할 것이라고 추정할 수 있습니다.
참조
- Connor, N. (2020년 1월 8일). 물과 증기의 열전도율은 얼마입니까? – 정의 . https://www.thermal-engineering.org/es/que-es-la-conductividad-termica-del-agua-y-el-vapor-definicion/ 에서 가져옴
- Laplace.us. (일차). 물 속성 . http://laplace.us.es/wiki/index.php/Propiedades_del_agua 에서 가져옴
- 미네덕. (2019). 열전달 . https://www.mineduc.gob.gt/DIGECADE/documents/Telesecundaria/Recursos%20Digitales/3o%20Recursos%20Digitales%20TS%20BY-SA%203.0/CIENCIAS%20NATURALES/U9%20pp%20210%20transferencia% 에서 가져옴 20of%20heat.pdf
- 온도 테스트 기기. (2020년 8월 28일). 열전도성 재료 및 일반 응용 분야 . https://thermtest.com/latinamerica/materiales-termicamente-conductores-y-aplicciones-comunes 에서 가져옴
