Hola, hallamos la solución a tu interrogante, continúa leyendo y la obtendrás más abajo.
Solución:
Solución 1:
¡Interesante pregunta!
Algunas cosas primero:
A medida que el hielo se derrite, enfría el agua que lo rodea.
Técnicamente, el cubito de hielo se derrite porque el agua se enfría. Esto puede sonar ridículo al principio, pero debes considerar el hecho de que el hielo se derrite. porque ha extraído “calor” (energía) de su entorno. El “entorno” es el aire y el agua que lo rodean (pero el agua es más importante ya que es un mejor conductor de la energía térmica).
Dado que el agua fría es más densa que el agua caliente, presumiría que el agua fría se hundiría hasta el fondo … pero se calentaría a medida que se hunde, reduciendo la densidad.
Tienes razón, agua fría es más denso que el agua caliente. Es útil tener en cuenta que no debería ser también aunque frío. A medida que la temperatura del agua desciende a 4 ° C, la densidad del agua aumenta gradualmente. Sin embargo, a medida que la temperatura desciende por debajo de los 4 ° C, la densidad del agua comienza a aumentar. disminución y el agua en este rango “flota” fácilmente sobre el agua en el rango de temperatura ambiente.
Mientras tanto, el hielo todavía se está derritiendo y emitiendo su frío al agua circundante.
El hielo no cede apagado es “frío”, más bien, se necesita en el “calor” del agua (energía térmica).
De vuelta a tu pregunta.
Como menciona Max en su respuesta, usted ha hecho un trabajo particularmente bueno al indicar con qué parámetros físicos estamos tratando; los De Verdad los más importantes son la temperatura del hielo, la temperatura del agua (en el momento en que se coloca el hielo) y la cantidad de hielo utilizada (al menos con respecto al agua).
Pero suponiendo que está bebiendo agua (originalmente a temperatura ambiente) de un vaso de plástico o de espuma de poliestireno de 250 ml, y usó dos cubitos de hielo (de tamaño normal) y que comenzó a beber el agua un minuto después de meter los cubitos de hielo. , el agua debe estar más fría en la parte superior que en la parte inferior.
Considere capas / regiones / paquetes diminutos e imaginarios de agua en la taza (pensar en esto en términos de “paquetes” de agua en lugar de moléculas de agua es más fácil de comprender). Además, piense que la copa tiene tres regiones (crudamente demarcadas): superior, media e inferior.
Los paquetes de agua inmediatamente adyacentes a los cubitos de hielo están en equilibrio térmico con las regiones más externas del hielo. Sin embargo, estos paquetes pronto obtienen algo de energía térmica de otro paquetes de agua adyacentes a ellos. Entonces, a medida que estos paquetes aumentan lentamente de temperatura, de cero grados a más de 4 ° C, se hunden y los nuevos paquetes ocupan ubicaciones adyacentes al hielo. El ciclo se repite mientras haya hielo.
Ahora, a medida que esos paquetes de hielo se hunden, obtienen más energía térmica de los paquetes de agua con los que entran en contacto al bajar. Esto, junto con los efectos viscosos del agua, da como resultado un leve “calentamiento” de los paquetes que se hunden.
Ahora que se calientan un poco, tienden a subir apoyo. De vuelta en la parte superior, se enfrían y se hunden nuevamente. Este proceso se repite mientras el hielo permanezca en el agua.
Da un paso atrás y verás que la mitad de la taza debe estar fría, la parte inferior de la taza debe estar fría. más frío, y la parte superior de la taza es el más frío.
Entonces, incluso si los cubitos de hielo no están tocando sus labios, encontrará que beber agua en la parte superior es más frío que succionar agua desde la parte inferior a través de una pajita.
Solucion 2:
La convección para producir uniformidad depende de varios factores nebulosos:
- Cuanto hielo
- ¿Qué tan alto es el vaso?
- ¿Diámetro del vaso?
- ¿Es el “vaso” realmente un vaso de vidrio o de papel, un vaso de espuma de poliestireno o quizás un vaso de metal?
- Temperatura inicial del agua.
- Masa de agua a masa de hielo.
La esencia es esta. Los lagos no se congelan en invierno. Sin remover, el agua del lago forma capas que se mezclan muy, muy lentamente. Entonces, el hielo congelado flota sobre el lago.
Entonces, sin remover, es probable que el agua en el borde esté más fría que el líquido en el fondo del vaso.
EDITAR: este es un experimento que puede hacer fácilmente en casa. Llene un vaso transparente grande (un vaso de vidrio real …) aproximadamente 2/3 de su capacidad con agua del grifo y agregue colorante para alimentos con agitación para que el líquido sea bastante oscuro. Luego agregue suficiente hielo para llenar el vaso sin revolver. Deje reposar el vaso sobre un mostrador sólido hasta que el hielo se derrita. (Buen experimento para ejecutar durante la noche …) Debido a que el agua se ha formado en capas, la capa de agua en la parte superior será notablemente más clara en color que la capa en la parte inferior.
Solución 3:
El calor fluye por radiación, conducción y convección. Primero, tengo que objetar el término “agua helada”. El agua helada puede contener hielo o no. Lo que claramente implica es que el agua está a 0 ° C. Considere un sistema donde hay un flujo de aire mínimo (por lo tanto, una conducción aire-agua mínima). Considere un sistema donde el agua (aquí agua = agua líquida) está a 0 °. El hielo se crea típicamente entre -15 ° F y + 25 ° F, dependiendo del congelador. En todos los casos, está por debajo de 0 ° C (obviamente). Ahora bien, ¿qué sucede en un caso ideal cuando pongo un “poquito” de hielo en agua a 0 ° C? Sí, el agua se congela. Ahora, por supuesto, debido a que el mundo real no es continuo, esto no sucederá realmente y es posible construir un sistema en el que el agua y el hielo estén en equilibrio a 0 ° C, pero definitivamente no es “fácil”. Menciono lo anterior para mostrarle que no ha especificado adecuadamente su sistema. Las masas y temperaturas del agua y el hielo. importar. Al igual que la temperatura del aire, la temperatura del recipiente y la temperatura del banco / mesa. Con un recipiente suficientemente aislante, todavía tienes que preocuparte por el flujo másico (corrientes) que le has dado al agua al verterla. (Estas corrientes pueden tardar horas y posiblemente días en desaparecer por completo, ¡incluso en condiciones casi isotérmicas!) Y, por supuesto, la forma de los trozos de hielo es importante. Considere un tubo capilar (perfectamente aislante) y una bandeja poco profunda con la misma capacidad de volumen total. El flujo másico y el flujo térmico serán muy diferentes. Los cálculos hidrodinámicos pueden ser (y casi siempre lo son) enormemente difíciles. El agua no puede estar más fría que 0 ° (ignorando el sobreenfriamiento). Eso claramente debe ocurrir en contacto con el hielo. Pero considere una copa cilíndrica de 10 cm de diámetro (id) ¿Crees que la respuesta sería diferente si colocara una taza de 1 cm?3 cubito de hielo en 1 L de agua en esa taza O si coloco un disco de 1 cm de espesor con un diámetro (od) de 9,9 cm en la taza? Sí, sistema subespecificado, a lo grande. Otra pieza obvia que falta es a qué te refieres con temperatura. No en el sentido de que no sea una propiedad bien definida (¡macroscópica!), Sino en el sentido de que (probablemente) esté pensando en la temperatura promedio sobre algún volumen. Como dije, el agua más fría se encontrará “en contacto” con el hielo, pero esto no significa que toda la superficie esté de media más frío que el fondo de 0.1 cm en la taza, ya que obviamente depende de cosas que no haya especificado. Imagínese como una “llave inglesa” final en el intento de responder a esto, que la copa contiene un inserto y que el inserto metálico se ha enfriado a -200 ° C. Vierte el agua a 0 ° C, junto con una cantidad no especificada de hielo y obtiene algo de congelación del agua en toda la superficie interior de la taza. Ahora bien, incluso si incluimos este hielo cuando especificamos el volumen y la temperatura del hielo, ¿realmente crees que este hielo tendría el mismo efecto que los cubos flotantes? O considere un anillo de hielo en lugar de un disco, y ¿qué pasa con la rugosidad de la superficie del revestimiento de las tazas?
Solución 4:
Cuando la temperatura baja, la energía cinética disminuye, el volumen disminuye y luego la densidad aumenta. Por lo tanto, el sólido se hunde y el líquido está arriba.
Está relacionado con el agua pero solo hasta los 4 ° C. Cuando hay agua a 10 ° C, la temperatura del agua baja a 9 ° C, el agua a 9 ° C bajará debido a la mayor densidad.
Pero cuando tomamos 4 ° C la temperatura del agua baja a 3 ° C. Es diferente. Sabes que hay enlaces de hidrógeno entre cada molécula $ ce H2O $. La forma de la molécula $ ce H2O $ está ‘doblada’. Los dos átomos de hidrógeno pueden formar dos enlaces de hidrógeno con dos átomos de oxígeno, y dos pares de electrones solitarios del átomo de oxígeno forman dos enlaces de hidrógeno con los dos hidrógenos de otras dos moléculas. Entonces puede tener forma tetraédrica. Sabes que el sólido tiene una estructura regular. El agua (líquida) no tiene una forma regular, hay moléculas y enlaces de hidrógeno en todas partes de manera irregular. Cuando la temperatura baja de 4 ° C a la forma regular, las moléculas tetraédricas $ ce H2O $ intentan aumentar la distancia y adoptar una forma regular. Entonces, el volumen aumenta y la densidad disminuye. Luego, después de 4 ° C para bajar las temperaturas (3, 2, 1, 0, -1) el (agua) flota en la parte superior.
Si conservas alguna indecisión y disposición de limar nuestro división te evocamos añadir una crítica y con deseo lo interpretaremos.