Очевидно, водяной пар в воздухе конденсировался на поверхности стекла, а лед внутри стекла играл роль поддержания определенной температуры поверхности стекла. Теперь я собираюсь упростить задачу до ее сути.

Я не знаю, из какого материала было стекло, но скажем, что оно было сделано из какого-то материала с высокой проводимостью, так что можно предположить, что температура была однородной по всей (внешней) поверхности стекла. Кроме того, поскольку внутри стекла находится лед, разумно предположить, что температура внутри стекла постоянна во времени, а тепловой поток (от окружающей среды к стеклу) настраивается для поддержания этой температуры. Также будем считать, что установившееся состояние достигнуто. Предположим также, что стекло закрыто сверху, хотя это несерьезное предположение и его можно ослабить. Пренебрежем влиянием ветров и вытекающим из них испарением. Будем считать, что давление водяного пара в воздухе остается постоянным.

Итак, вот упрощенная задача: даны два замкнутых полых объекта, оба заполнены льдом так, что температура на внутренней стенке объекта ($T_{inside}$) постоянна, и один находится в тени, а другой находится на солнце, что будет иметь большую скорость образования конденсата (на его внешней поверхности) после достижения стационарного состояния?

Тепловой поток к стеклу в тени равен$Q_{shade}$, и что стеклу на солнце$Q_{sun}$, с$Q_{shade}<Q_{sun}$. Позволять$T_{shade}$а также$T_{sun}$- температура наружной поверхности стекла в тени и на солнце соответственно; оба, конечно, должны быть выше, чем$T_{inside}$. Тогда с тех пор$Q_{shade}<Q_{sun}$мы должны иметь$T_{shade}<T_{sun}$(почему? подсказка: теплопередача через стену зависит от разницы температур поперек стены). Большая скорость образования конденсата происходит на более прохладной поверхности, то есть в тени.

PS Кратко объясню, почему скорость конденсации должна быть выше на более холодной поверхности. Конденсация водяного пара на поверхности является результатом того, что на поверхность из воздуха осаждается большее количество молекул воды, чем теряется в воздухе. Скорость, с которой происходит осаждение, зависит от давления водяного пара в воздухе, которое мы приняли за постоянное и, следовательно, одинаковое для обоих стекол. Однако скорость, с которой молекулы воды, осевшие на стекле, теряются в воздухе, зависит от температуры поверхности, и чем ниже температура, тем ниже этот чистый поток наружу (см. здесь ).

Лучшее, что может сделать ваш класс, — это провести эксперимент. Вы можете подумать о том, как лучше всего это сделать, но вот несколько советов:

• Используйте несколько стаканов воды. Например, поставить пять стаканов на солнце и пять в тени.
• Измеряйте одновременно очки на солнце и очки в тени.

Мы также можем попытаться предсказать результат с помощью грубой аргументации. В своем аргументе я делаю упрощение, что по истечении 30 минут в стакане все еще остается лед. Это полезное упрощение, поскольку оно означает, что вода в стаканах будет оставаться при постоянной температуре на протяжении всего эксперимента. Я также представлю несколько более точное описание эксперимента. Я скажу, что у нас есть стол для пикника на солнце, а зонтик закрывает половину стола в тени.

Затем мы можем подумать о том, какие переменные контролируют скорость образования конденсата на стекле. Некоторые кандидаты:

• Температура окружающего воздуха
• Температура воды в стакане
• Влажность окружающего воздуха

Мы можем заметить, что температура воды в стакане одинакова в обоих случаях, так как в обоих стаканах есть лед. Влажность не будет сильно отличаться на солнце и в тени. Это связано с тем, что молекулы воды в воздухе движутся случайным образом, и это заставляет их распределяться равномерно. На самом деле температура воздуха на солнце и в тени тоже одинакова. Случайные столкновения в воздухе имеют тенденцию сглаживать распределение тепла в воздухе. Поскольку мы выбрали два стакана рядом друг с другом (на одном столе для пикника), температура и влажность воздуха в обоих случаях будут почти одинаковыми.

Мы видим, что все три переменные, определяющие скорость образования конденсата, в обоих случаях равны. Таким образом, я бы предсказал, что в эксперименте вы не сможете заметить существенной разницы в количестве конденсата в затененных и незатененных очках.

Учтите возможность того, что «правильного» ответа не существует.

Возможно, цель вопроса заключалась в том, чтобы заставить вас задуматься и обсудить физически интересную ситуацию.

Конденсация будет зависеть как минимум от следующих факторов

• Влажность воздуха
• Температура воздуха
• Циркуляция воздуха
• Температура воды

Прямые солнечные лучи могут воздействовать на все эти факторы, и воздействие на конденсацию будет действовать в разных направлениях. Какой эффект преобладает, может зависеть от нескольких факторов, не указанных в вопросе. Даже если в большинстве ситуаций есть «правильный» ответ, может быть невозможно уверенно заключить его на основе простого физического аргумента.

Ответ связан с первым вопросом.

Когда лед хранится в стекле, он будет поглощать тепло водяных паров, присутствующих в атмосфере вокруг него.

Таким образом, водяные конденсаторы вокруг него.

Теперь разница, когда он находится в тени и на солнце, заключается в том, что когда он находится на солнце, лед также будет поглощать тепло солнечных лучей, падающих на лед. На Авалон будет поступать больше тепла от солнца, чем за счет паров воды и атмосферы.

В тени, поскольку солнечные лучи не падают, больше тепла будет поглощаться из атмосферы.

Таким образом, в тени вокруг стекла конденсируется больше воды, чем на солнце, потому что на солнце у льда есть лучший или другой источник для поглощения тепла.

Так вода будет больше в тени.

Вы увидите, что ваши предположения об эксперименте могут иметь значение. В конце я дам вам поворот, который может иметь все значение:

Предположения

Давайте сделаем несколько упрощающих предположений и объясним, почему эти предположения имеют смысл:

Сначала обратимся к макроскопическим условиям. Под этим я подразумеваю условия, которые существуют равномерно на большей части пространства, в котором происходит этот эксперимент:

1. Что касается стакана воды со льдом, предположим, что он содержит лед на время эксперимента. (Причина в том, что это, по-видимому, данность — у вас есть стакан воды со льдом.)

2. Мы также можем предположить, что стакан с ледяной водой находится при постоянной температуре на протяжении всего эксперимента. Причина в том, что когда лед тает, он поглощает тепло без изменения температуры. Это то, что происходит, когда материал претерпевает фазовый переход. (например, из твердого в жидкое или из жидкого в газообразное). Итак, при первом предположении (лед всегда есть) температура будет оставаться постоянной. ( Фазовый переход воды )

3. Для опыта на солнце и опыта в тени все остальные условия идентичны. (Можно предположить, что это открытое пространство, поскольку стакан стоит на столе для пикника.) Так, например, температура воздуха (см. ниже) и давление идентичны. Если вообще ветрено, то это одинаково в обоих случаях. (Давайте предположим, что нет ветра, но вы можете пойти дальше и спросить себя, как это изменит вывод, если это так.)

4. Температура воздуха в тени такая же, как и на солнце. Я знаю, о чем вы думаете, но вы должны понимать, что температура воздуха — это мера кинетической энергии молекул в воздухе. ( Почему официальные температуры всегда измеряются в тени) Поскольку молекулы на самом деле движутся очень быстро (в среднем со скоростью звука), им не требуется много времени, чтобы перемещаться между затененной областью и незатененной областью. (Если вы сомневаетесь в этом, подумайте о том, как быстро может распространяться запах даже в «неподвижном» воздухе. Если вы все еще не уверены, попробуйте поэкспериментировать с чем-то, что вы легко чувствуете.)

5. Уровень влажности в тени такой же, как и на солнце. Это то же самое, что сказать, что для данного объема воздуха доля молекул, являющихся молекулами воды, постоянна независимо от того, находятся ли они в тени. Влажность зависит от температуры воздуха и кинетической энергии молекул воздуха, чтобы вода не конденсировалась. Кроме того, молекулы воды в воздухе движутся со скоростью, аналогичной скорости всех других молекул воздуха.

Теперь давайте посмотрим на некоторые микроскопические условия, особенно на поверхности стекла:

1. ( Конвекция ) теплопередача будет происходить на поверхности стекла.

   • Молекулы воздуха, включая испаряющуюся воду (влажность), теряют энергию, когда сталкиваются с холодной поверхностью стекла. Это называется конвективной теплопередачей ( конвекцией ), которая представляет собой передачу кинетической энергии от газа к холодному стеклу. Достаточное количество молекул воды может потерять энергию, чтобы прийти к точке конденсации , образуя воду на боковой поверхности стекла. (Другие типы молекул в воздухе не будут так легко конденсироваться при температурах, о которых мы здесь говорим.)

   • Молекулы воды на стенках стекла приобретают энергию, когда их ударяют быстро движущиеся молекулы воздуха. Этого может быть достаточно, чтобы вызвать испарение .

Это непрерывный процесс, но, очевидно, если вы видите, что происходит конденсация, то скорость конденсации должна быть больше, чем скорость испарения!

2. На поверхности стекла будет происходить радиационный теплообмен. Солнечное излучение, падающее на термометр, нагревает термометр. Как объяснялось ранее, именно поэтому мы измеряем температуру воздуха в тени. Он также может передавать достаточно тепла, чтобы вызвать испарение некоторых молекул воды на стенках стакана. Это было бы в дополнение к испарению из-за конвекции.

Вывод

Мы предположили, что, за исключением разницы между солнцем и тенью, все условия между двумя экспериментами одинаковы:

• Стекло будет поддерживать постоянную температуру, пока есть лед, потому что тепло, добавляемое из окружающей среды, идет только на превращение льда из твердого в жидкое.

• Влияние температуры воздуха было объяснено как равное, потому что температура воздуха является мерой кинетического движения молекул воздуха, и все молекулы свободно и быстро перемещаются между тенью и солнцем.

• Условия на поверхности стекла могут привести к фазовым изменениям. Это может привести к конденсации и испарению одновременно. Механизмы передачи энергии контролируют чистые результаты.

• Эксперимент, проведенный на солнце, имеет один дополнительный источник энергии, влияющий на процессы конденсации и испарения. Радиация может увеличить испарение.

Мы должны заключить, что чистая сумма испарения по сравнению с конденсацией различается между двумя экспериментами, и на боковой стороне стекла будет меньше воды, когда эксперимент проводится на солнечном свете.

Другое дело, будет ли это заметной суммой. Но при правильных экспериментальных условиях это можно измерить с точностью.

Теперь удалите одно предположение

Я бы не отказался от моего школьного учителя физики, чтобы сделать что-то подобное, но давайте предположим, что «ледяная вода» не достигла равновесия, когда начинается эксперимент. Это означает, что по мере таяния льда выделяющаяся жидкая вода будет иметь более низкую температуру, чем остальная часть жидкости.

Это означает, что часть тепловой энергии воды должна идти на нагрев этой выпущенной воды.

В заштрихованном эксперименте мы ожидаем, что лед растает дольше. (Меньше лучистой энергии на стекле!).

Теплопередача между воздухом и стеклом будет происходить со скоростью, пропорциональной разнице их температур (при прочих равных условиях). Это приведет к меньшей конденсации (и большему испарению), пока температура стекла выше равновесной.

Можно было бы ожидать, что стекло в эксперименте, освещенном солнцем, достигнет равновесия раньше, чем стекло в эксперименте в тени.

Теперь у вас есть случай, когда испарение от излучения может быть компенсировано этим процессом термического уравновешивания ледяной воды.

Если бы вы интегрировали чистую конденсацию за 30 минут эксперимента, вы бы увидели, что залитое солнцем стекло может на самом деле производить больше конденсата.

Конденсация на стекле связана с тем, находится ли воздух у поверхности стекла в точке росы (температуре).
Точка росы зависит от влажности воздуха.
В точке росы водяной пар в воздухе конденсируется, образуя жидкую воду.

Интересно, что скорость конденсации зависит не только от температуры воздуха , но и от скорости, с которой тепло может быть отведено от конденсирующегося водяного пара в воздухе.

Когда солнце светит на стекло, лучистое тепло Солнца поглощается стеклом и конденсированной водой и, таким образом, повышает внешнюю температуру стекла и конденсированной воды.
Это, в свою очередь, увеличивает скорость передачи тепла через стекло и вместе с лучистым теплом, поглощаемым льдом/водой в стекле, увеличивает скорость таяния льда в стекле.
Объем воздуха вокруг стекла, который находится на уровне точки росы или ниже, вероятно, больше, когда он находится в тени, так как внешняя сторона стекла имеет более низкую температуру, и это может привести к большей скорости конденсации водяного пара.

Мне кажется, что стакан в затененном месте приведет к тому, что за определенное время сконденсируется больше водяного пара.

Здесь много длинных ответов, которые, вероятно, выходят далеко за рамки модели, которую школьный учитель физики собирается использовать со своими учениками.

Вы не детализируете учителей или свои рассуждения, но я предполагаю, что ответ учителя основывается на одном простом факте: теплый воздух может содержать больше воды, чем холодный воздух .

Стол на солнце (согласно этому мышлению) теплее, чем стол в тени, но температура стекла в обоих случаях одинакова. Поэтому в горячем воздухе больше влаги, которая будет конденсироваться.

Это действительно то, что произойдет?

Здесь очень много осложняющих факторов. Действительно ли воздух испаряет больше влаги на солнце, чем в тени? Мне это кажется маловероятным, по крайней мере, не в непосредственной близости. Как солнечная радиация меняет вещи? Не приведет ли это к испарению части воды? Очень сложно моделировать, особенно без дополнительных деталей.

Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо сделать некоторые предположения. Я предполагаю следующее:

1. Льда в стакане было достаточно, чтобы весь лед не растаял. Это означает, что внутри стакана все время была практически постоянная температура, близкая к точке замерзания воды.

2. Стекло прозрачно и поэтому получает очень мало тепловой энергии непосредственно от солнца. В любом случае, внутренность держалась при температуре замерзания воды, так как лед не весь растаял.

3. Варианты солнца и тени очень локализованы. Несколько метров в любом случае меняли бы солнце или тень. Следовательно, воздух вокруг стекла имеет практически одинаковую температуру и влажность независимо от того, находится ли стекло на солнце или в тени. Это также означает, что независимо от того, есть ветер или нет, он одинаков в обоих случаях.

При всех этих условиях не должно быть разницы в образовании конденсата между стеклом на солнце и в тени. У вас есть стеклянный предмет, поддерживаемый при фиксированной температуре, вокруг которого мягко циркулирует тот же воздух с той же температурой и влажностью.

Итак, ответ сводится к тонким эффектам, которые делают некоторые предположения не совсем верными. Поскольку в вопросе такие детали не были указаны, правильный ответ: Вы не можете сказать из вопроса .

Например, предположение № 2 будет не совсем верным. Даже прозрачный стакан с прозрачной водой и льдом внутри поглотит немного энергии солнца. Большая часть этого пойдет на нагрев воды, что приведет к таянию большего количества льда за то же время. Это по-прежнему держит воду при той же температуре, пока лед не истощится.

Тем не менее, незначительное нагревание внешней стороны стекла вызовет небольшое повышение температуры там, несмотря на то, что внутренняя часть стекла имеет фиксированную температуру. Это небольшое повышение немного уменьшит количество конденсата.

Но, наоборот, на солнце может быть как больше, так и меньше конденсата из-за того, что предположение № 3 не совсем верно. Предположим, стол для пикника деревянный и немного влажный. Солнечное нагревание приведет к увеличению влажности прямо над столом, где находится стекло, что приведет к увеличению конденсата. Если стол сухой, то нагрев его солнцем приведет к тому, что воздух прямо над столом станет немного теплее, что приведет к меньшему количеству конденсата.

Опять же, нет четкого способа ответить на вопрос солнце/тень без более подробной информации об условиях, поскольку разница в конденсации зависит от тонких эффектов, которые зависят от деталей.

Иногда мысленный эксперимент, делающий условия более экстремальными, может быть просветляющим. Я могу думать о двух:

1. Вместо этого пусть стакан будет чашкой, сделанной из более изолирующего материала; просто так, что едва ли происходит некоторая пограничная конденсация, когда чашка находится в тени под зонтиком. Представьте, что материал черный, чтобы увеличить поглощение света.

   Теперь снимите зонт. Бьюсь об заклад, поверхность чашки, выставленная на солнце, нагреется (при условии, что солнце светит под углом), и конденсация прекратится, по крайней мере, на той стороне, на которую светит солнце. Эффект тот же, что и у прозрачного стекла, только слабее.

2. Возьмите оригинальную стеклянную установку. Но не подвергайте его воздействию солнца, а вместо этого используйте прожектор мощностью 100 кВт, который используется на съемочных площадках, эффективно увеличивая интенсивность света на порядок или два. Бьюсь об заклад, поверхность стекла и конденсирующаяся вода (которая хорошо поглощает инфракрасное излучение) немного нагреются, что приведет к меньшему количеству чистой конденсации.

Конденсация зависит главным образом от относительной влажности воздуха на поверхности стекла.

Относительная влажность (может ли воздух поглощать больше воды?), в свою очередь, зависит от абсолютной влажности (граммы воды/граммы воздуха) и температуры (поскольку теплый воздух может удерживать гораздо больше воды). Воздух в теплом климате, таком как Хьюстон, может нести много воды, которая будет конденсироваться на вашем холодном стекле. Воздух в холодном климате намного суше в абсолютном выражении — знаменитая крайность — это воздух на южном полюсе.

Поскольку на солнце будет теплее, можно подумать, что конденсируется больше воды, как в теплом Хьюстоне. Но воздух в тени и на солнце — это один и тот же воздух , содержащий одинаковое количество абсолютной воды. Он будет вести себя одинаково при одинаковых условиях на поверхности стекла. Если вообще, более теплый воздух и солнце могут нагреть поверхность стекла, что приведет к меньшей конденсации, а теплый воздух на солнце (относительно более сухой, поскольку может содержать больше воды) ускорит испарение, сместив динамическое равновесие. вдали от конденсата.

Я заметил, что один комментатор сказал, что вопрос по своей сути неоднозначен относительно того, учитываете ли вы конденсат, который скатился со стороны стекла.

Вопрос : Было бы больше или меньше воды на внешней стороне стакана, если бы стол для пикника находился в тени?

В самом деле, если бы я истолковал это особенно забавно , то в тени меньше воды испарялось бы изнутри стакана в воздух, и, следовательно, снаружи стакана было бы меньше воды .

Кроме того, другой комментатор также упомянул, что вы не можете ожидать, что лед останется нерасплавленным, если вы оставите его на солнце на полчаса, и очень вероятно, что после того, как лед растает, солнце высушит внешнюю сторону. стекло выпариванием. В тени легко представить, что стакан с ледяной водой останется замороженным, когда вы вернетесь, так что вода все еще будет конденсироваться на боковой стороне стакана.

Поэтому я не вижу здесь особой необходимости в сложных рассуждениях.