Можно ли предотвратить охлаждение воды, храня ее в жестком контейнере?

короткий ответ, без уравнений:

Единственный способ удержать тепловую энергию (тепло) от поступления/оттока объекта – изолировать его; иначе тепло будет течь от горячего к холодному. Таким образом, ваш гипотетический контейнер с горячей жидкостью в конечном итоге достигнет температуры наружного воздуха, даже если контейнер достаточно прочен, чтобы сопротивляться любому изменению объема. Отличие жидкости в том, что она будет находиться под значительным отрицательным давлением ; другими словами, он будет оказывать сжимающую силу на стенки своего контейнера, и вы можете получить энергию из этого сценария, позволив одной стенке контейнера двигаться (например, поршню).

с уравнениями:

Первый закон термодинамики:

1. Контейнер может менять объем. Если это так, то жидкость может совершать работу, а это значит, что она сжимается (т.е. совершает отрицательную работу):$-Q = -W$. Изменение внутренней энергии после того, как жидкость достигнет комнатной температуры, будет равно нулю (нет накопленной энергии).
2. Контейнер не может изменить объем. Если это так, то никакая работа не может быть выполнена ($W=0$) жидкостью. Любая потеря тепла должна сопровождаться потерей внутренней энергии:$-Q = -\Delta E$. Поскольку это запасенная энергия, вы можете вернуть ее, позволив контейнеру изменить объем. Затем будет выполнена работа, и вы окажетесь в том же конечном состоянии, что и (1).

Для мягкой, теплопроводной бутылки объем содержимого может изменяться, но давление поддерживается постоянным — оно должно равняться давлению помещения, в котором находится бутылка. Таким образом, с уменьшением температуры содержимого уменьшается и объем.

Для твердой, теплопроводной бутылки объем содержимого не может измениться, а давление может. В этом случае по мере снижения температуры содержимого снижается и давление.

Это верно для обычных ситуаций, будь то жидкость или газ, если содержимое не претерпевает фазового перехода при изменении температуры.

Отвечая на ваш вопрос, нет, мы не можем предотвратить падение температуры с помощью жесткого контейнера - контейнер все еще проводит температуру. Просто падает давление, а не объем.

Как уже упоминалось, вода в конечном итоге остынет до тех пор, пока не достигнет теплового равновесия с окружающей средой, т. е. не будет иметь ту же температуру, что и комната.

Более холодная вода (выше 4°C) более плотная, чем более теплая, поэтому объем охлажденной воды меньше первоначального объема воды. Жидкая вода почти несжимаема, поэтому вы не можете уменьшить ее объем (на сколько-нибудь значительную величину), применяя давление, и вы также не можете увеличить ее объем, уменьшив давление на нее. То есть воду не протянешь. Однако, если вы поместите жидкую воду в вакуум, часть жидкости изменит свое состояние и станет водяным паром до тех пор, пока давление пара не будет в равновесии с жидкостью, при этом давление пара зависит от температуры нелинейным образом (межмолекулярное силы воды довольно велики, поэтому она не ведет себя как идеальный газ).

Например, предположим, что наш контейнер имеет объем 1$m^3$= 1000$L$, и мы заливаем его водой с температурой 90°C. (Предположим, что весь воздух, растворенный в воде, был удален в процессе нагревания). Пусть температура окружающей среды в помещении составляет 20°C. Согласно Wolfram Alpha, плотность воды при этих температурах составляет:

20°С : 965,3$kg/m^3$
90°С : 998,2$kg/m^3$

Википедия говорит, что водяной пар при 20°C имеет давление 2,3388 кПа или 0,0231 атмосферы. Другими словами, вода кипит при 20°C, если давление окружающей среды составляет 2,3388 кПа.

У нас 998,2$kg$воды в нашем 1$m^3$жесткая герметичная тара. Когда температура воды падает до 20°С, ее объем уменьшается до$965.3 / 998.2 = 0.9670 m^3$уход$1 - 0.9670 = 0.033 m^3 = 33 L$для водяного пара. Эти цифры не совсем точны, потому что часть жидкости превращается в пар, но объем потерянной жидкости ничтожно мал по сравнению с общим объемом жидкости.

Этот сайт дает цифру 17,3$g/m^3$для плотности водяного пара при 20°С. Таким образом, масса воды в нашем паровом «кармане» составляет около 0,033 * 17,3 = 0,57.$g$, а количество потерянной жидкости составляет около 57$mL$, что незначительно по сравнению с 967$L$.

Тот факт, что воду нельзя растянуть, имеет важные последствия, как обсуждалось в статье Википедии о кавитации .

Охлаждение вызывает сокращение, а не наоборот. На самом деле сжатие частично противодействует охлаждению. Это потому, что когда бутылка сжимается, над бутылкой совершается работа, увеличивающая ее внутреннюю энергию. Так что в жестком контейнере жидкость охлаждалась бы быстрее.

Тепло течет от горячего к холодному (если только у вас нет бесконечной изоляции). Вода достигнет наружной температуры.

Предположим, что вода начиналась при 1 атм и 100 F. Если ее охладить до 80 F, объем воды уменьшится (очень незначительно). Пустота будет заполнена водяным паром. Давление будет давлением пара воды при 80 F. Газ будет 80 F.

Работа над бутылкой не производится.

Если вы полностью окружите объем воды гибким (хотя идеальной гибкости не существует) теплопроводным материалом, вода не будет так сильно увеличиваться с повышением температуры. Если вы нальете горячую (скажем, чуть ниже точки кипения) воду в мягкую бутылку и дадите ей полностью остыть (скажем, до нуля градусов Цельсия), бутылка будет «следовать» объему заключенной в ней воды. Ниже примерно четырех градусов по Цельсию бутылка снова расширится (из-за того уникального свойства, что вода имеет минимальный объем не при температуре замерзания, а примерно на четыре градуса выше ее). Более низкое понижение температуры (ниже нуля) приведет к замерзанию воды, а материал, окружающий воду, расширится, потому что лед имеет больший объем, чем вода.

Если вода заключена в жесткий (абсолютно жесткого материала не существует), теплопроводный материал, произойдет то же самое, что и в случае с гибким (идеально гибким) гибким материалом, но давление внутри материала покажет различное поведение давления (относительно температуры; см., например, здесь ). вода не замерзнет ровно при нуле градусов (как в случае с гибким материалом, но в этом случае эффект более выражен).

Так что действительно, ответ - нет.

Вы путаете здесь поведение газа в бутылке и самой жидкости. Я думаю, гораздо проще рассматривать эти случаи отдельно.

Жидкость в закрытой емкости на самом деле никогда не остыла бы, если бы емкость была полностью изолирована — в закрытой системе энергия сохраняется.

Что касается газа, по существу тот же ответ, но здесь возникает суть вашего вопроса, который сводится к соотношению температуры и доступного объема и давления. Считая газ идеальным, вспомним закон идеального газа: