Методы передачи энергии

В целом существует три механизма теплопередачи:

• Тепловое излучение переносит тепло на расстояние. Точнее, это передача длин волн по спектру света, который при поглощении телом преобразуется в тепло). Это следует закону Стефана-Больцмана:

  $$\dot q_\text{rad}=\varepsilon\sigma_sA(T_1^4-T_2^4)$$ ($\dot q$энергия в секунду передается от тела 1 к телу 2,$T$температура,$\varepsilon$коэффициент излучения,$\sigma$постоянная Стефана-Больцмана,$A$площадь излучающей поверхности.)

• Теплопроводность передает тепло через твердое тело. Он определен для континуума, твердого материала, но его можно рассматривать как передачу тепла между соседними частицами. Это следует закону Фурье:

  $$\dot q_\text{cond}=A\kappa\frac{\Delta T}{\Delta x}$$ ($A$площадь, через которую проходит тепло,$\kappa$теплопроводность,$\Delta T$разница температур между двумя точками,$\Delta x$расстояние между этими двумя точками, через которые передается тепло.)

Когда вы упоминаете броуновское движение, это имеет отношение к проводимости: случайное движение частиц, электронов и т. д. заставляет их «натыкаться» и взаимодействовать с соседними частицами. Если одна частица более энергична, то при столкновении между частицами они будут делиться частью кинетической энергии. Так происходит кондуктивная передача тепловой энергии.

• Тепловая конвекция передает тепло к телу и от него, протекая близко к нему, и доставляет тепловую энергию к поверхности и поглощает ее. В некотором смысле это можно представить как проводимость между жидкой частицей и поверхностной частицей, когда жидкая частица сразу же заменяется новой, свежей. Доставка/поглощение тепловой энергии от одной частицы жидкости ничтожно мала, так как она несет очень мало энергии, но при постоянной замене частиц более новыми передаваемая энергия накапливается и становится значительной. Этот эффект нагрева/охлаждения, вызванный движением жидкости, называется конвекцией . Отсюда следует соотношение: $$\dot q_\text{conv}=Ah(T_\text{fluid}-T_\text{body})$$ $A$площадь, подверженная воздействию жидкости.$h$- коэффициент теплопередачи , и он сильно зависит от сценария (жидкость, поток, взаимодействие с поверхностью и т. д.).$h$часто определяется заранее экспериментально.

Существует два типа тепловой конвекции:

• Естественная конвекция, вызванная исключительно естественными факторами, такими как разница в температуре или плотности (охлаждающая вода у поверхности льда становится более плотной и опускается, и, таким образом, заменяется другими, более теплыми молекулами жидкости. В общем, естественная конвекция - это механизм подъема горячего воздуха и падение холодного воздуха и подобные явления.)

• Вынужденная конвекция , то есть поток жидкости, вызванный неестественными механизмами, такими как насос.

В вашем случае мы имеем естественную конвекцию: частицы воды у поверхности льда отдают тепло льду и, в свою очередь, охлаждаются. Эти теперь «более холодные» частицы воды более плотные или «тяжелые» и будут тонуть. Их место займут новые, более теплые частицы, готовые передать больше энергии поверхности льда и повторить процесс.

Что более доминирует?

Вышеупомянутые три фактора передачи энергии - это все возможности, которые существуют для транспортировки энергии. Их обычно рассматривают на равных условиях как три различных механизма, каждый из которых имеет свою собственную модель передачи энергии. Но, как видите, конвекция — это в основном «проточная версия» проводимости, если рассматривать ее под микроскопом.

• Для тонких жидкостей (с низкой вязкостью) преобладает конвективный эффект эффективного нагрева/охлаждения за счет движения жидкости.
• Для очень густых жидкостей (с очень высокой вязкостью), настолько густых, что вы можете принять их за твердые тела, тепло может передаваться от частицы к частице кондуктивным образом, и проводимость является доминирующей.
• Для довольно густых жидкостей мы можем наблюдать сочетание этих факторов. Чем выше теплоемкость (соответствующая$\kappa$) жидкости, тем слабее проводящий механизм.

В вашем случае с водой, которая имеет довольно низкий$\kappa$, мы должны иметь возможность предположить только преимущественно конвективный механизм и отсутствие проводимости/незначительную проводимость на большие расстояния в воде. Тепловое излучение также может быть фактором, но при довольно низких температурах излучение мало (обратите внимание на степень 4 в модели) и, возможно, незначительно. В итоге мы получаем, что только конвекция (естественная в вашем случае) имеет большое влияние в вашем случае - в жидкостях это часто единственный эффект, который необходимо учитывать, если только не погрузить раскаленный металл в очень летучую жидкость.

Этот анализ можно проверить, посмотрев числа, как того требуют некоторые комментарии, воды и льда для различных моделей, а также сравнив их с вязкостью. Я не буду делать этого в этом ответе, но его довольно легко найти в Интернете; другие ответы дают некоторые из таких чисел, чтобы оправдать вывод.

Передача тепловой энергии осуществляется в виде тепла от воды к кубику льда путем естественной конвекции.

Если куб и вода вместе образуют изолированную систему (отсутствие теплопередачи между ними и их окружением), теплообмен будет продолжаться до тех пор, пока весь лед не растает или пока температура воды не станет равной 0°С, после чего любой оставшийся лед будет в два раза меньше. фазовое тепловое равновесие с водой.

Надеюсь это поможет

Я полностью не согласен с предыдущими ответами, в которых конвекция рассматривается как основной механизм передачи тепла от жидкой воды к кубику льда.

Конвекция является важным и доминирующим механизмом для поддержания слоев жидкости вблизи поверхности льда при более высокой температуре. Таким образом, его основная роль заключается в том, чтобы на поверхности между жидкостью и твердым телом поддерживалась постоянная разница температур. Однако как механизма переноса энергии из жидкости в твердое тело конвекции просто не существует! Разве что можно подумать о потоках жидкости, проникающих в твердое тело, что не так.

Поэтому у нас остается теплопроводность или излучение как возможные способы передачи тепловой энергии от жидкой воды к льду. Простая оценка порядка величины, основанная на формулах закона Стефана-Больцмана и закона Фурье, с учетом значений SI около$10^{-7}$для$\sigma_s$, около$2$для$\kappa$льда, значения двух температур и значение$\Delta x$порядка нескольких межатомных расстояний показывает, что вклад излучения пренебрежимо мал.

Можно добавить дополнительное замечание к микроскопическому описанию процесса плавления. Хорошо известно, что предварительное таяние, т. е. таяние твердого тела, начиная с поверхностных слоев, а не с объема, является явлением, присутствующим даже в случае льда. Это наблюдение исключило бы возможность того, что процесс таяния в данном случае мог начаться в толще льда.

Режимы теплопередачи

Три формы теплопередачи между системой и окружающей средой следующие:

Проводимость

Это перенос тепла частицами, обменивающимися внутренней энергией. Это происходит по одному из трех режимов - молекулярные столкновения (газы), столкновения/колебания (локальные в жидкостях и решеточные в твердых телах) и свободный перенос электронов (в проводниках и полупроводниках). Теплопроводность требует (или создает) температурный градиент в материале, передающем тепло.

Конвекция

Это перенос теплоты объемным движением жидкости над объектом. Это происходит в одном из двух режимов — свободном или принудительном. При свободной конвекции жидкость движется под действием выталкивающей силы. При принудительной конвекции мы выталкиваем жидкость. Для конвекции нужна разница температур. Конвекцию можно смоделировать, используя принципы проводимости через пленку между жидкостью и объектом.

Радиация

Это транспорт энергии от объекта в виде электромагнитного излучения. Радиация требует только, чтобы объекты имели температуру.

Процесс плавления

Чтобы расплавиться, атомы в твердом теле должны получить достаточно энергии, чтобы разорвать свои связи в твердом теле. Слияние эндотермическое.

Энергия поступает в виде тепла из окружающей среды. Он возникает при столкновении более горячих молекул жидкой воды с более холодным твердым телом. Разность энергий между движущимися молекулами жидкости и неподвижными (колеблющимися) твердыми молекулами есть разность температур во внутренних энергетических координатах. Эта разница температур должна быть бесконечно малой, чтобы поддерживать поток тепла от горячего к холодному. Жидкая вода не поддерживает ни свободных электронов (конечно, нет!), ни колебаний решетки (именно это и происходит во льду). Итак, единственным способом переноса тепла является перенос за счет столкновений молекул от жидкой воды к твердому льду.

Энергия в виде тепла может поступать конвекционным потоком. Когда система находится в гравитационном поле, и когда жидкость непосредственно вокруг льда может стать холоднее, чем основная вода, более холодная вода будет более плотной. Он начнет течь вниз за счет естественной конвекции. Таким образом, естественная конвекция может быть фактором теплового потока. Когда лед плавает на воде (обычно), более холодная вода подо льдом падает в более теплую воду под ним. В обратном случае, когда вы можете положить кубик льда на дно емкости, а над ним поставить горячую воду, вы выключите режим естественной конвекции. Подумайте также о холодной монетке, вставленной в утепленный пол с горячим воздухом над ней. У пенни не будет естественных режимов конвекции, потому что холодный воздух, который может образоваться вокруг него, уже более плотный, чем горячий воздух над ним.

Вы не сказали, перемешивали ли танк. Таким образом, мы можем игнорировать принудительную конвекцию.

Лед исходит от него. Горячая вода излучается на лед. Суммарный поток радиации приходится на лед из воды.

Оценки величин

Температуры твердого льда и жидкой воды контролируют суммарный поток радиации. Когда температура жидкости лишь незначительно превышает температуру льда, суммарный поток радиации... мал. Добавьте к этому, что и лед, и вода имеют коэффициенты излучения значительно ниже единицы, и их коэффициенты излучения сопоставимы. В конце концов, можно сказать, что радиацией... можно пренебречь.

Естественная конвекция, когда она возникает, подавляет кондуктивный теплообмен (ну, не буквально, конечно). Предположение, что лед находится наверху, допускает это. Утверждение, что лед окружен водой и смешано с ней, уменьшит его вклад.

В конце концов, у нас есть проводимость. Эти «более горячие» молекулы жидкой воды постоянно сталкиваются с более «холодными» твердыми молекулами льда (горячие и холодные как меры внутренней энергии). Передача тепла происходит постоянно. Справочный график, показывающий изменения проводимости, находится по этой ссылке .

Оставшееся уточнение

В чистых веществах (вода) плавление происходит при постоянной температуре . Никогда, никогда нельзя обсуждать плавление как процесс нагрева твердого тела . Сплошной лед в этом случае остается закрепленным при одной температуре, так как полностью тает. И наоборот, вы можете обнаружить, что, если вы ошибочно полагаете, что лед становится более горячим во время таяния, вам придется немедленно отключить любую чистую передачу тепла от окружающей среды (жидкости) к системе (льду). Это второй закон термодинамики в действии.