ก้อนน้ำแข็งละลายเร็วขึ้นในน้ำหรือในอากาศหรือไม่?

เราทุกคนได้เห็นว่าก้อนน้ำแข็งละลายอย่างไรเมื่อวางลงในน้ำหรือของเหลวอื่นๆ เรายังได้เห็นว่าน้ำแข็งที่วางอยู่บนโต๊ะค่อยๆ กลายเป็นแอ่งน้ำเย็นเล็กๆ ได้อย่างไร แต่ในกรณีใดในสองกรณีนี้ละลายได้เร็วกว่ากัน?

บทความนี้พยายามที่จะแสดงให้เห็นแนวคิดที่สำคัญบางประการเกี่ยวกับการถ่ายเทความร้อนจากการวิเคราะห์ปรากฏการณ์ฟิวชั่นที่พบบ่อยที่สุดอย่างหนึ่งที่เราสัมผัสในชีวิตประจำวันของเรา นั่นคือ การละลายของก้อนน้ำแข็ง

สำหรับการอภิปรายของเรา เรามาเริ่มต้นด้วยการกำหนดแนวคิดที่สำคัญบางประการ

กระบวนการควบรวมกิจการ

การละลายของก้อนน้ำแข็งเป็นกระบวนการเปลี่ยนสถานะทางกายภาพที่น้ำเปลี่ยนสถานะจากของแข็งเป็นของเหลว การเปลี่ยนแปลงเฟสประเภทนี้เรียกว่าการหลอมเหลวและเป็นกระบวนการดูดความร้อน อย่างหลังหมายความว่าน้ำแข็งต้องดูดซับความร้อนเพื่อที่จะละลาย นั่นคือต้องสลายแรงระหว่างโมเลกุลที่ยึดโมเลกุลของน้ำไว้ด้วยกันอย่างแน่นหนาในน้ำแข็ง

กระบวนการนี้สามารถแสดงด้วยสมการต่อไปนี้:

โดยที่ Q _{หลอมละลาย}คือความร้อนที่น้ำต้องดูดซับเพื่อละลาย

อย่างที่คุณเห็น สิ่งที่ต้องใช้ในการละลายน้ำแข็งคือความร้อน ดังนั้น เพื่อตรวจสอบว่าน้ำแข็งละลายเร็วขึ้นเมื่อใด ในน้ำหรือในอากาศ สิ่งที่เราต้องถามจริงๆ ก็คือในสถานการณ์ใดที่น้ำแข็งสามารถดูดซับความร้อนได้เร็วกว่ากัน

ตัวแปรที่มีผลต่อกระบวนการฟิวชั่น

ฟิวชั่นเป็นกระบวนการที่ขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายอย่าง เช่น อุณหภูมิ ความดัน และการมีอยู่ของตัวถูกละลายในของเหลว

อุณหภูมิหลอมเหลว

ประการแรก การเปลี่ยนแปลงเฟสนี้เกิดขึ้นหรือสังเกตได้ที่อุณหภูมิเฉพาะที่เรียกว่าจุดหลอมเหลว สิ่งนี้หมายความว่า เพื่อให้สารอยู่ในสถานะของแข็งนั้นจะต้องมีอุณหภูมิต่ำกว่าจุดหลอมเหลว

สิ่งที่ตรงกันข้ามก็เป็นจริงเช่นกัน เมื่อใดก็ตามที่เราเห็นสสารในสถานะของแข็ง (เช่น น้ำแข็ง) ที่ไม่ละลาย เราจะแน่ใจได้ว่าสสารนั้นมีอุณหภูมิต่ำกว่าจุดหลอมเหลว เพื่อที่จะละลาย เราต้องทำให้ของแข็งร้อนถึงจุดหลอมเหลวก่อน แล้วจึงเพิ่มความร้อนให้มากขึ้นเพื่อละลาย

สิ่งนี้มีนัยสำคัญสำหรับปัญหาของเรา: เมื่อพิจารณาว่าน้ำแข็งจะละลายเร็วขึ้นที่ใด เราต้องแน่ใจว่าในทั้งสองกรณีน้ำแข็งที่เป็นปัญหามีอุณหภูมิเริ่มต้นเท่ากัน มิฉะนั้น จะต้องใช้ความร้อนมากขึ้นในกรณีหนึ่งเพื่อให้น้ำแข็งถึงจุดหลอมเหลว

ผลความดัน

จุดหลอมเหลวของของแข็งส่วนใหญ่เพิ่มขึ้นตามความดัน แต่ในกรณีของน้ำนั้นตรงกันข้ามเลย นี่เป็นเพราะคุณสมบัติที่ผิดปกติของน้ำ ซึ่งแตกต่างจากสารบริสุทธิ์ส่วนใหญ่ น้ำในสถานะของแข็ง (เช่น น้ำแข็ง) มีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำที่เป็นของเหลว

สิ่งนี้ทำให้เกิดแรงดันเพิ่มขึ้นเพื่อช่วยเปลี่ยนน้ำแข็งให้เป็นน้ำ (ซึ่งมีปริมาตรจำเพาะน้อยกว่า) ดังนั้น จึงต้องใช้พลังงานความร้อนน้อยกว่าในการแยกโมเลกุลของน้ำและละลายน้ำแข็ง และน้ำแข็งจะละลายที่อุณหภูมิต่ำกว่า (เช่น ง่ายกว่า)

ผลละลาย

ในทางกลับกัน การมีอยู่ของตัวถูกละลายหรือสิ่งเจือปนในของเหลวก็เป็นปัจจัยที่ส่งผลต่อจุดหลอมเหลวเช่นกัน ในความเป็นจริงมันเป็นคุณสมบัติการทำงานร่วมกันของสารละลายที่เรียกว่าภาวะซึมเศร้าด้วยความเย็นหรือการซึมผ่านของจุดหลอมเหลว

เมื่อพิจารณาจากปัจจัยทั้งสองนี้ที่อาจส่งผลต่อจุดหลอมเหลวของน้ำ และด้วยเหตุนี้จึงอาจส่งผลต่อความเร็วในการละลายของก้อนน้ำแข็งในตัวกลางดังกล่าว เราต้องทำการวิเคราะห์ต่อไปเพื่อให้แน่ใจว่าในทั้งสองกรณีเรากำลังจัดการกับน้ำที่สมบูรณ์ บริสุทธิ์และปราศจากสารละลายใดๆ เราต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าในทั้งสองกรณีความดันบรรยากาศเท่ากันและคงที่ สิ่งนี้จะช่วยอำนวยความสะดวกอย่างมากในการวิเคราะห์ปัญหาเพื่อให้เราสามารถมุ่งเน้นไปที่ตัวแปรเดียวที่เราสนใจ: น้ำแข็งล้อมรอบด้วยน้ำหรืออากาศที่เป็นของเหลวหรือไม่

กลไกการถ่ายเทความร้อน

เราได้ชี้แจงแล้วว่าการที่น้ำแข็งจะละลายได้จำเป็นต้องดูดซับความร้อนจากสภาพแวดล้อม ความร้อนนี้จะทำหน้าที่ในการให้ความร้อนแก่ก้อนน้ำแข็งจนถึงจุดหลอมเหลวก่อน แล้วจึงดำเนินกระบวนการหลอมละลายเอง

หากเราเริ่มด้วยน้ำแข็งสองก้อนที่มีขนาด รูปร่าง และมวลเท่ากัน ทำจากน้ำบริสุทธิ์ทั้งหมด และมีอุณหภูมิเริ่มต้นเท่ากัน น้ำแข็งทั้งสองก้อนจะต้องใช้ความร้อนในปริมาณที่เท่ากันพอดีในการละลาย

ดังนั้นสิ่งที่เราต้องวิเคราะห์คือที่ใดที่น้ำแข็งจะสามารถดูดซับความร้อนได้เร็วกว่า: จากอากาศหรือจากน้ำที่เป็นของเหลว ในการทำเช่นนี้ เราต้องเข้าใจวิธีต่างๆ ที่สามารถถ่ายเทความร้อนได้ ซึ่งได้แก่: การพาความร้อน การนำความร้อน และการแผ่รังสี

การนำความร้อน

กลไกการถ่ายโอนนี้เป็นกลไกที่เกิดจากการสัมผัสโดยตรงระหว่างอนุภาคที่ก่อตัวเป็นสองวัตถุ (หรือสองระบบทางอุณหพลศาสตร์) ที่อุณหภูมิต่างกัน เป็นประเภทของการถ่ายโอนที่เกิดขึ้นเมื่อมือของเราลวกโดยการสัมผัสกระทะร้อนเป็นต้น นอกจากนี้ยังเป็นประเภทของการแลกเปลี่ยนความร้อนที่เกิดขึ้นระหว่างน้ำแข็งกับน้ำหรือระหว่างน้ำแข็งกับอากาศ

อัตราการนำความร้อนขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย ได้แก่พื้นผิวสัมผัส การไล่ระดับอุณหภูมิ (นั่นคือ ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างจุดสองจุดหารด้วยระยะทาง) และค่าการนำความร้อนของตัวกลาง (ซึ่งไม่มีอะไรมากไปกว่าการวัดว่าวัสดุนำความร้อนได้ดีเพียงใด)

จากตัวแปรทั้งหมดเหล่านี้ เราสามารถควบคุมพื้นผิวสัมผัสได้โดยทำให้แน่ใจว่าน้ำแข็งทั้งสองมีรูปร่างและขนาดเท่ากัน เรายังสามารถควบคุมการไล่ระดับอุณหภูมิได้ด้วยการควบคุมอุณหภูมิเริ่มต้นของทั้งน้ำแข็ง น้ำ และอากาศ อย่างไรก็ตาม ค่าการนำความร้อนจะแตกต่างกันในกรณีของอากาศและน้ำ

การพาความร้อน

การพาความร้อนเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในของไหล เช่น ของเหลวและก๊าซ ประกอบด้วยการเคลื่อนที่ของอนุภาคของไหลที่อุณหภูมิหนึ่งไปยังบริเวณที่มีอุณหภูมิต่างกัน การพาความร้อนอาจเกิดขึ้นได้ตามธรรมชาติหากการเคลื่อนไหวเกิดจากความแตกต่างของความหนาแน่นซึ่งเกิดจากความแตกต่างของอุณหภูมิ หรืออาจเกิดขึ้นทางกลไกเช่นเดียวกับเมื่ออาหารร้อนถูกเป่า

การแผ่รังสี

ในที่สุด ทุกพื้นผิวจะปล่อยพลังงานออกมาในรูปของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า ตัวอย่างเช่น ไฟสามารถให้ความร้อนแก่เราด้วยความสว่าง แม้ว่าเราจะไม่สัมผัสกับอากาศร้อนที่ปล่อยออกมาจากการพาความร้อนก็ตาม

แล้วที่ใดที่น้ำแข็งละลายเร็วที่สุด?

ขณะนี้เรามีเครื่องมือทั้งหมดที่จะตอบคำถามนี้ เพื่อให้การวิเคราะห์ง่ายขึ้นมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เราจะทำให้แน่ใจว่าตัวแปรทั้งหมดที่อาจส่งผลต่อการละลายของน้ำคงที่ และเก็บเฉพาะตัวแปรที่ขึ้นอยู่กับอากาศและน้ำโดยตรง

เราเริ่มต้นด้วยก้อนน้ำแข็งสองก้อนที่เหมือนกันซึ่งทำจากน้ำบริสุทธิ์ มีรูปร่างเหมือนกันและมีขนาดเท่ากัน ทั้งคู่มีอุณหภูมิเริ่มต้นเท่ากัน เราจุ่มภาชนะหนึ่งลงในภาชนะขนาดใหญ่ด้วยน้ำที่อุณหภูมิเดียวกับอากาศ และวางอีกอันไว้บนพื้นผิวฉนวนความร้อนที่สัมผัสกับอากาศ เราทำการทดลองทั้งหมดในห้องปิดที่ไม่มีกระแสลม ลดการถ่ายเทความร้อนทุกรูปแบบยกเว้นการนำความร้อน

นอกจากนี้ การนำไฟฟ้าจะถูกกำหนดโดยวัสดุของตัวกลางเป็นหลัก ในทั้งสองกรณี การไล่ระดับอุณหภูมิจะเหมือนกันโดยพื้นฐานแล้วและพื้นผิวสัมผัสจะเหมือนกัน ดังนั้นอัตราการถ่ายเทความร้อนและความเร็วที่น้ำแข็งจะละลายจะขึ้นอยู่กับค่าการนำความร้อนของครึ่งหนึ่งเป็นหลัก

เนื่องจากน้ำนำความร้อนได้เร็วกว่าอากาศเกือบ 30 เท่าน้ำแข็งจึงละลายเร็วกว่าในน้ำ

ปัจจัยเพิ่มเติมที่ต้องพิจารณา

ควรสังเกตว่าข้างต้นไม่ได้แสดงถึงการวิเคราะห์ปัญหาอย่างลึกซึ้งและละเอียด ตัวอย่างเช่น ข้อเท็จจริงที่ว่าน้ำแข็งลอยอยู่บนน้ำไม่ได้ถูกนำมาพิจารณา ดังนั้น ส่วนหนึ่งของน้ำแข็งจะสัมผัสกับอากาศและจะไม่สัมผัสกับความร้อนกับน้ำ

สิ่งเดียวกันนี้เกิดขึ้นกับน้ำแข็งที่อยู่ในอากาศ เนื่องจากจำเป็นต้องวางตัวบนพื้นผิวบางส่วน ดังนั้นใบหน้าด้านใดด้านหนึ่งจะไม่สัมผัสกับอากาศ แต่กับพื้นผิวดังกล่าว หากค่าการนำความร้อนของพื้นผิวนี้มีค่ามากกว่าอากาศ น้ำแข็งจะดูดซับความร้อนได้เร็วกว่าผ่านพื้นผิวนี้ และละลายได้เร็วกว่า

นอกจากนี้ เมื่อละลายจะเพิ่มพื้นที่ผิวของน้ำแข็งที่ละลาย (เช่น น้ำ) ที่สัมผัสกับพื้นผิว ทำให้ผลกระทบรุนแรงขึ้น

อย่างไรก็ตาม เรื่องนี้สามารถประมาณได้ว่าผลกระทบเหล่านี้จะเล็กน้อยเมื่อเทียบกับความแตกต่างอย่างมากระหว่างการนำความร้อนของน้ำและอากาศ

อ้างอิง

• Connor, N. (2020, 8 มกราคม). ค่าการนำความร้อนของน้ำและไอน้ำเป็นอย่างไร? – คำจำกัดความ สืบค้นจากhttps://www.thermal-engineering.org/es/que-es-la-conductividad-termica-del-agua-y-el-vapor-definicion/
• Laplace.us. (น). คุณสมบัติของน้ำ สืบค้นจากhttp://laplace.us.es/wiki/index.php/Propiedades_del_agua
• มิเนดัค. (2562). การถ่ายเทความร้อน สืบค้นจากhttps://www.mineduc.gob.gt/DIGECADE/documents/Telesecundaria/Recursos%20Digitales/3o%20Recursos%20Digitales%20TS%20BY-SA%203.0/CIENCIAS%20NATURALES/U9%20pp%20210%20transferencia% 20of%20heat.pdf
• เครื่องมือเทอร์โมเทส (2563, 28 สิงหาคม). วัสดุนำความร้อนและการใช้งานทั่วไป สืบค้นจากhttps://thermtest.com/latinamerica/materiales-termicamente-conductores-y-aplicaciones-comunes