Как камни для виски сохраняют напиток холодным?

Кубики льда обладают тремя различными охлаждающими эффектами:

1. Куб, изначально находящийся при минусовой температуре, поглощает некоторое количество тепла, чтобы достичь точки плавления (0⁰C).
2. Куб поглощает больше тепла для переключения фазы: требуется некоторое количество энергии, чтобы превратить 1 кг льда при 0⁰C в 1 кг жидкой воды при 0⁰C.
3. Вода поглощает некоторое количество тепла, чтобы стать теплее 0⁰C.

Три эффекта проявляются более или менее последовательно, хотя и не обязательно одновременно во всем кубике льда. Но идея остается прежней.

Для льда основная часть охлаждения происходит за счет таяния. Нанесем на него несколько фигур. Теплоемкость льда составляет 2,06 кДж·кг ^-1 ·К ^-1 , что означает, что требуется 2,06 кДж, чтобы превратить 1 кг льда при -12⁰C в 1 кг льда при -11⁰C. Для жидкой воды это 4,217 кДж·кг ^-1 ·К ^-1 . Скрытая теплота , т.е. энергия, используемая для превращения льда в жидкую воду (при постоянной температуре), составляет 333 кДж·кг ^-1 . Представьте, что у вас есть напиток комнатной температуры, который вы хотите понизить до 8⁰C с помощью кубиков льда. Кубики льда поступают из морозильной камеры и изначально имеют температуру -18⁰C. Три охлаждающих эффекта составляют на кг льда:

1. Повышение температуры льда до 0⁰C: 18×2,06 = 37,08 кДж.
2. Плавление льда: 333 кДж.
3. Повышение температуры воды до 8⁰C: 8×4,217 = 33,736 кДж.

Так, в этом примере на плавление приходится около 82% охлаждения.

Неплавящиеся камни работают только на теплоемкости. Таким образом, они эффективны только постольку, поскольку используется материал с высокой теплоемкостью, но на практике вода (и лед) обладают довольно высокой теплоемкостью, выше, чем у камней, так что охлаждающий эффект таких камней неизбежно сильно снижается по сравнению с к кубикам льда. С другой стороны, поскольку эффекта разбавления нет, в стакан можно положить много камней.

Многоразовые кубики льда на самом деле намного лучше охлаждают вещи, потому что они тают, но делают это внутри, в запечатанном конверте, поэтому они не проливаются в ваш напиток. Поскольку они используют скрытую теплоту фазовых переходов, они ничем не уступают настоящим кубикам льда. Хотя эстетики им не хватает.

Но какое вам дело до того, что вы мучаете прекрасный Виски с неестественным хладнокровием?

Фундаментальный принцип термодинамики заключается в том, что тепло передается от теплых мест к холодным путем конвекции, теплопроводности или излучения , и это будет продолжаться до тех пор, пока температура в системе не выровняется.

Камни холоднее виски, когда вы кладете их в стакан, поэтому по мере того, как система приближается к равновесию, виски становится холоднее, а камни теплее.

При отсутствии влияния окружающей среды равновесная температура будет где-то между двумя начальными температурами (виски и камней).

От того, в какой точке этой шкалы находится равновесная температура, зависит точно;

• Массовое отношение камней к виски (чем больше/больше камней, тем холоднее).
• Отношение удельной теплоемкости каменного материала к виски. (более высокая удельная теплоемкость камней означает более холодное равновесие, но для достижения равновесия требуется больше времени)

Время, необходимое для достижения равновесия, также зависит от теплопроводности камней.

TL;DR: камни для виски работают, поглощая тепло от виски, пытаясь достичь теплового равновесия ¹ .

Как упоминал Томас, лед обладает тремя охлаждающими эффектами:

• Самому льду требуется 2,11 кДж тепла на грамм, чтобы повысить его температуру на 1 градус (по Цельсию). Это число известно как «удельная теплоемкость».
• Для плавления льда требуется 334 килоджоуля тепла на кг при температуре 0 градусов по Цельсию. Это число «Скрытая теплота плавления/плавления». Обратите внимание, что это много по сравнению с остальными; нагрев льда от -15 градусов до 0 потребует в десять раз меньше энергии, чем вам потребуется, чтобы потом его растопить.
• Вода затрачивает 4,18 кДж тепла на кг, чтобы повысить свою температуру на один градус.

Обратите внимание, что удельная теплоемкость работает в обоих направлениях; одно и то же число применяется для повышения температуры/притока тепла и снижения температуры/отдачи тепла

Когда вы охлаждаете виски обычным способом, лед по-разному поглощает тепло, охлаждая виски (удельная теплоемкость которого составляет 3,4 кДж/кг·К) до тех пор, пока система не достигнет той же температуры. Обычно происходит следующее ² : Весь лед достигает 0 градусов по Цельсию, а виски значительно охлаждается. Как только это происходит, лед тает, и температура виски значительно падает. Наконец, лед (теперь вода) немного нагревается.

Теперь посмотрим на мыльный камень (который они используют в камнях для виски): мыльный камень в три раза плотнее льда, но только вдвое менее эффективен в поглощении тепла (удельная теплоемкость 0,9). Таким образом, это будет на 50% эффективнее, чем такое же количество кубиков льда во время фазы «достижения 0 градусов». После этого лед побеждает с огромным отрывом — тот же предварительный расчет (где я беру тот же объем мыльного камня, давая соотношение массы 3:10) дает мне 28 ° C в качестве конечной температуры. Конечно, это можно легко исправить, используя больше камней для виски (я думаю, что моя оценка соотношения 1:10 в футляре для льда может быть неверной — я не пью и не знаю, сколько льда обычно уходит в стакан виски).

Отметим, что еще одним важным фактором является теплопроводность. Лед имеет теплопроводность 2,18 Вт/(м·К), а вода — 0,56 Вт/(м·К), а мыльный камень — 6,4 Вт/(м·К), что примерно в три раза больше, чем у льда.

Я предполагаю, что льду требуется некоторое время, чтобы равномерно достичь состояния 0C. Вместо этого только внешний слой будет иметь температуру 0°C, а при движении внутрь будет резкий температурный градиент. Внешний слой будет медленно таять (это незначительный эффект, поскольку плавится очень тонкий слой ³ ). С другой стороны, мыльный камень способен поглощать тепло быстрее (и он способен поглощать больше тепла, чем нетающий лед). Что может частично сбалансировать упомянутые выше резкие различия — в конце концов, никто не ждет достижения теплового равновесия, чтобы выпить виски. Таким образом, более быстрое охлаждение из мыльного камня может уравнять правила игры здесь — пока лед не тает в большом количестве, все должно быть в порядке.

Вывод:

Что касается охлаждающего эффекта, кубики льда более эффективны в долгосрочной перспективе, но камни для виски сначала охлаждаются быстрее, чем лед. И, конечно же, у камней есть дополнительное преимущество: они не разбавляют напиток.

^{1. Тепловое равновесие – это когда больше нет чистого теплообмена между компонентами системы. Обычно это происходит, когда все температуры равны.}

^{2. Предполагая, что масса льда в стакане виски составляет десятую часть массы самого виски, и что лед начался при -15С, а виски при 30С, нам нужно 3,4*30*10=1020 единиц энергии, чтобы принести виски до 0С. От прогрева льда мы получаем 2,11*15=31 единицу, а от таяния имеем еще потенциально 334 единицы. Ясно, что этого недостаточно, поэтому образовавшаяся вода должна также нагреться выше 0 градусов по Цельсию. Предварительный расчет дает мне 17 градусов в качестве конечной температуры для этой смеси.}

^{3. Я могу проверить это позже; не в настроении сейчас решать дифференциальные уравнения :)}

Камни для виски не обязательно предназначены для того, чтобы напиток оставался холодным, вместо этого они предназначены для того, чтобы в напитке проявлялись вкусовые характеристики, которые могут отсутствовать при комнатной температуре. Некоторые сорта виски раскрываются при более низкой температуре, а использование камней позволяет экспериментировать, не разбавляя вкус напитка. Уже есть лучшие математические ответы, поэтому я не буду вдаваться в подробности.

Как объяснил Линкс, все, что имеет значение, — это температура виски и камней. Кроме того,

• со льдом энергия также используется для изменения фазы без изменения температуры
• камни быстрее теряют тепло
• с камнями вы не получите разбавления алкоголя, которое происходит с тающим льдом (это основная причина использования камней)

Короткий ответ: они охлаждают не так хорошо, как лед .

Гарвардская группа по пищевым продуктам и науке провела эксперимент именно для этого сценария. Результаты были следующими:

Когда лед тает, температура виски падает почти до -4°С, тогда как камни для виски едва доводят напиток до нуля.

Причина уже была хорошо объяснена в ответе Манишерта.