Tabla de Contenidos
Tất cả chúng ta đều đã thấy cục nước đá tan chảy như thế nào khi chúng được đặt trong nước hoặc một số chất lỏng khác. Chúng ta cũng đã thấy cục đá đặt trên bàn từ từ biến thành một vũng nước lạnh nhỏ. Nhưng trong trường hợp nào thì nó tan chảy nhanh hơn?
Bài viết này tìm cách minh họa một số khái niệm quan trọng về sự truyền nhiệt từ việc phân tích một trong những hiện tượng nhiệt hạch phổ biến nhất mà chúng ta tiếp xúc trong cuộc sống hàng ngày: sự tan chảy của một khối nước đá.
Đối với cuộc thảo luận của chúng tôi, hãy bắt đầu bằng cách xác định một số khái niệm quan trọng.
quá trình sáp nhập
Sự tan chảy của một khối nước đá là một quá trình thay đổi pha vật lý, trong đó nước chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng. Loại thay đổi pha này được gọi là nóng chảy và là một quá trình thu nhiệt. Điều thứ hai có nghĩa là băng phải hấp thụ nhiệt để tan chảy; nghĩa là, nó phải phá vỡ các lực liên phân tử giữ chặt các phân tử nước với nhau trong băng.
Quá trình này có thể được biểu diễn bằng phương trình sau:
trong đó Q nóng chảy là nhiệt lượng mà nước phải hấp thụ để nóng chảy.
Như bạn có thể thấy, tất cả những gì cần thiết để làm tan băng là nhiệt. Do đó, để xác định khi nào băng tan nhanh hơn, nếu ở trong nước hay trong không khí, điều chúng ta thực sự phải đặt ra là băng có thể hấp thụ nhiệt nhanh hơn trong tình huống nào.
Các biến ảnh hưởng đến quá trình hợp nhất
Fusion là một quá trình phụ thuộc vào một số yếu tố như nhiệt độ, áp suất và sự hiện diện của chất hòa tan trong chất lỏng.
nhiệt độ nóng chảy
Đầu tiên, sự thay đổi pha này xảy ra hoặc được quan sát thấy ở một nhiệt độ cụ thể được gọi là điểm nóng chảy. Điều này có nghĩa là, để một chất ở trạng thái rắn, nó phải ở nhiệt độ dưới điểm nóng chảy của nó.
Điều ngược lại cũng đúng. Bất cứ khi nào chúng ta nhìn thấy một chất ở trạng thái rắn (chẳng hạn như nước đá) không tan chảy, chúng ta có thể chắc chắn rằng nó đang ở nhiệt độ thấp hơn điểm nóng chảy của nó. Để làm tan chảy nó, trước tiên chúng ta phải nung nóng chất rắn đến nhiệt độ nóng chảy của nó, sau đó bổ sung thêm nhiệt để làm tan chảy nó.
Điều này có ý nghĩa quan trọng đối với bài toán của chúng ta: khi xem xét nơi băng sẽ tan nhanh hơn, chúng ta phải đảm bảo rằng trong cả hai trường hợp, tảng băng được đề cập đều có cùng nhiệt độ ban đầu. Nếu không, sẽ cần nhiều nhiệt hơn trong một trường hợp để đưa băng đến điểm nóng chảy của nó.
hiệu ứng áp suất
Điểm nóng chảy của hầu hết các chất rắn tăng theo áp suất, nhưng trong trường hợp của nước, điều ngược lại là đúng. Điều này là do một tính chất dị thường của nước, đó là, không giống như phần lớn các chất tinh khiết, nước ở trạng thái rắn (tức là nước đá) nhẹ hơn nước lỏng.
Điều này gây ra sự gia tăng áp suất để giúp biến nước đá thành nước (có thể tích riêng nhỏ hơn). Do đó, cần ít năng lượng nhiệt hơn để tách các phân tử nước và làm tan băng, đồng thời băng tan ở nhiệt độ thấp hơn (nghĩa là dễ dàng hơn).
tác dụng của chất tan
Mặt khác, sự hiện diện của các chất hòa tan hoặc tạp chất hòa tan trong chất lỏng cũng là một yếu tố ảnh hưởng đến điểm nóng chảy. Trên thực tế, nó là một thuộc tính chung của các giải pháp được gọi là áp suất lạnh hoặc áp suất điểm nóng chảy.
Do hai yếu tố này có thể ảnh hưởng đến điểm nóng chảy của nước và do đó có thể ảnh hưởng đến tốc độ tan chảy của một khối băng trong môi trường như vậy, chúng ta phải đảm bảo tiếp tục phân tích để đảm bảo rằng trong cả hai trường hợp, chúng ta đang xử lý nước hoàn toàn tinh khiết và không chứa bất kỳ chất tan nào. Chúng ta cũng phải đảm bảo rằng trong cả hai trường hợp, áp suất khí quyển đều như nhau và không đổi. Điều này sẽ tạo thuận lợi rất nhiều cho việc phân tích vấn đề để chúng ta có thể tập trung vào biến số duy nhất mà chúng ta quan tâm: liệu băng được bao quanh bởi nước lỏng hay không khí.
cơ chế truyền nhiệt
Chúng tôi đã làm rõ rằng để một tảng băng tan chảy, nó cần hấp thụ nhiệt từ môi trường xung quanh. Nhiệt này trước tiên sẽ hoàn thành vai trò làm nóng khối băng đến điểm nóng chảy của nó, sau đó sẽ tự thực hiện quá trình tan chảy.
Nếu chúng ta bắt đầu với hai viên đá có cùng kích thước, hình dạng và khối lượng, được làm bằng nước hoàn toàn tinh khiết và có cùng nhiệt độ ban đầu, thì cả hai viên đá sẽ cần một lượng nhiệt chính xác như nhau để tan chảy.
Do đó, điều chúng ta phải phân tích là băng sẽ có thể hấp thụ nhiệt nhanh hơn ở đâu: từ không khí hay từ nước lỏng. Để làm được điều này, chúng ta phải hiểu các cách truyền nhiệt khác nhau, đó là: đối lưu, dẫn nhiệt và bức xạ.
Sự dẫn nhiệt
Cơ chế truyền này là cơ chế xảy ra do sự tiếp xúc trực tiếp giữa các hạt tạo thành hai vật thể (hoặc hai hệ thống nhiệt động lực học) có nhiệt độ khác nhau. Chẳng hạn, đó là kiểu chuyển giao xảy ra khi chúng ta bị bỏng tay do chạm vào chảo nóng. Đây cũng là kiểu trao đổi nhiệt xảy ra giữa băng và nước hoặc giữa băng và không khí.
Tốc độ dẫn nhiệt phụ thuộc vào một số yếu tố. Trong số đó có bề mặt tiếp xúc, độ dốc nhiệt độ (nghĩa là chênh lệch nhiệt độ giữa hai điểm chia cho khoảng cách của chúng) và độ dẫn nhiệt của môi trường (không gì khác hơn là thước đo mức độ dẫn nhiệt của vật liệu).
Trong tất cả các biến này, chúng ta có thể kiểm soát bề mặt tiếp xúc bằng cách đảm bảo rằng cả hai băng đều có cùng hình dạng và cùng kích thước. Chúng ta cũng có thể kiểm soát gradient nhiệt độ bằng cách kiểm soát nhiệt độ ban đầu của cả nước đá, nước và không khí. Tuy nhiên, độ dẫn nhiệt sẽ khác nhau trong trường hợp không khí và nước.
đối lưu
Đối lưu là hiện tượng xảy ra trong các chất lỏng như chất lỏng và chất khí. Nó bao gồm sự chuyển động của các hạt chất lỏng ở một nhiệt độ tới các khu vực có nhiệt độ khác nhau. Sự đối lưu có thể là tự nhiên nếu chuyển động được tạo ra bởi sự khác biệt về mật độ do sự khác biệt về nhiệt độ gây ra hoặc nó có thể được tạo ra một cách cơ học như khi thổi thức ăn nóng.
bức xạ
Cuối cùng, mọi bề mặt đều phát ra năng lượng dưới dạng bức xạ điện từ. Ví dụ, ngọn lửa có khả năng sưởi ấm chúng ta với độ sáng của nó ngay cả khi chúng ta không tiếp xúc với không khí nóng tỏa ra do đối lưu.
Vậy băng tan nhanh nhất ở đâu?
Bây giờ chúng tôi có tất cả các công cụ để trả lời câu hỏi này. Để đơn giản hóa việc phân tích càng nhiều càng tốt, chúng tôi sẽ đảm bảo giữ nguyên tất cả những biến số có thể ảnh hưởng đến sự tan chảy của nước và chỉ giữ lại những biến số phụ thuộc trực tiếp vào không khí và nước.
Chúng tôi bắt đầu với hai viên đá giống hệt nhau làm bằng nước tinh khiết, có hình dạng và kích thước giống nhau; cả hai đều ở cùng một nhiệt độ ban đầu. Chúng tôi nhúng một cái vào một thùng chứa lớn với nước có cùng nhiệt độ với không khí, và chúng tôi đặt cái kia lên trên một bề mặt cách nhiệt tiếp xúc với không khí. Chúng tôi thực hiện toàn bộ thí nghiệm trong phòng kín, không có gió lùa, hạn chế tối đa mọi hình thức truyền nhiệt ngoại trừ dẫn nhiệt.
Ngoài ra, độ dẫn sẽ được xác định chủ yếu bởi vật liệu của môi trường; trong cả hai trường hợp, gradient nhiệt độ về cơ bản sẽ giống nhau và bề mặt tiếp xúc sẽ giống nhau, do đó tốc độ truyền nhiệt và do đó tốc độ tan chảy của băng sẽ phụ thuộc chủ yếu vào độ dẫn nhiệt của một nửa.
Vì nước dẫn nhiệt nhanh hơn không khí gần 30 lần nên băng sẽ tan nhanh hơn trong nước .
Các yếu tố bổ sung để xem xét
Cần lưu ý rằng những điều trên không thể hiện sự phân tích sâu sắc và chi tiết về vấn đề. Ví dụ, thực tế là băng nổi trên mặt nước không được xem xét, vì vậy một phần của nó sẽ tiếp xúc với không khí và sẽ không tiếp xúc nhiệt với nước.
Điều tương tự cũng xảy ra với băng ở trong không khí, vì nó nhất thiết phải nằm trên một bề mặt nào đó, vì vậy một trong các mặt của nó sẽ không tiếp xúc với không khí mà tiếp xúc với bề mặt nói trên. Nếu độ dẫn nhiệt của bề mặt này lớn hơn độ dẫn nhiệt của không khí thì băng sẽ hấp thụ nhiệt qua bề mặt này nhanh hơn, tan chảy nhanh hơn.
Ngoài ra, khi tan chảy, nó làm tăng diện tích bề mặt của băng tan chảy (tức là nước) tiếp xúc với bề mặt, làm trầm trọng thêm hiệu ứng.
Mặc dù vậy, có thể ước tính rằng những hiệu ứng này sẽ nhỏ khi so sánh với sự khác biệt lớn giữa độ dẫn nhiệt của nước và không khí.
Người giới thiệu
- Connor, N. (2020, ngày 8 tháng 1). Hệ số dẫn nhiệt của nước và hơi nước là gì? – Định nghĩa . Lấy từ https://www.thermal-engineering.org/es/que-es-la-conductividad-termica-del-agua-y-el-vapor-definicion/
- Laplace.us. (nd). Tính chất của nước . Lấy từ http://laplace.us.es/wiki/index.php/Propiedades_del_agua
- MINEDUC. (2019). Truyền nhiệt . Lấy từ https://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
- Dụng cụ đo nhiệt độ. (2020, ngày 28 tháng 8). Vật liệu dẫn nhiệt và ứng dụng phổ biến . Lấy từ https://thermtest.com/latinamerica/materiales-termicamente-conductores-y-aplicaciones-comunes
