Соленая вода и лед против простой воды и льда

Известная загадка заключается в том, в какой воде быстрее тает кубик льда: в соленой или в пресной. Ответ — пресная вода, потому что вода, тающая на кубике льда, тонет в простой воде и поднимается в более плотной соленой воде. Погружение заставляет конвекцию играть большую роль, и разница во времени очень велика. Видите, лед тает медленнее в соленой воде? и многие видео с использованием красителя, которые легко найти.

Но что происходит в первую секунду, прежде чем конвекция подействует? В «чистой» ситуации, когда лед тает только в соленой воде, а не в простой воде, тает лед быстрее? Другими словами, что имеет более высокую мгновенную скорость плавления в самом начале?

Мы с другом провели несколько экспериментов.

  1. В 35-градусном холодильнике общая история таяния обратная. Это ожидаемо, потому что теперь талая вода плавает на простой воде (и на соленой воде) и поэтому остается наверху. Но почему именно соленая вода плавит куб намного быстрее, чем пресная вода? Кажется, это указывает на то, что в чистом виде соль работает быстрее.

  2. При комнатной температуре при регулярном помешивании воды кубики плавятся одновременно. Это озадачивает и, по-видимому, противоречит (1).

Мы видели несколько возможных объяснений, но на данный момент мы не знаем истинной истории. Вероятно, происходит несколько эффектов, но есть ли один доминирующий эффект, который управляет плавлением в «чистом» случае?

Отредактировано в ответ на комментарий Сэма Гербила:

Классический случай: комнатная температура. Талая вода плавает в соляном растворе; поэтому физиологический раствор намного медленнее (проигрывает).

В холодильнике: талая вода всплывает в обоих случаях. Но физиологический раствор выигрывает во многом. Не понятно почему. Возможно, потому что скорость подъема талой воды разная из-за разной плотности. Или, может быть, солевой раствор тает лед быстрее из-за снижения точки замерзания (но мне не ясно, почему именно это влияет на общую передачу энергии).

В холодильнике, со льдом на дне контейнера. Моя попытка не удалась. Джим только что закончил эксперимент с вмороженными в лед гвоздями для веса. Это сработало очень хорошо, и, опять же, соль — большой победитель.

Перемешивание: Джим попробовал это при комнатной температуре и утверждает, что скорость плавления одинакова. Это немного загадка, поскольку противоречит эксперименту с перемешиванием. Возможно, перемешивание устраняет эффект повторного замораживания.

Один из предложенных ответов: я всегда предполагал, что при таянии льда в соленой воде растворенные ионы натрия и хлора мешают прочности водородных связей между молекулами воды, и процесс просто превращается в безудержный поезд. Мне нравится идея делать это в холодильнике, чтобы исключить конвекцию.

Одна из трудностей заключается в том, что конвекция никогда не устраняется полностью, поэтому трудно быть уверенным, что соль естественным образом растапливает лед быстрее. Но сейчас это выглядит именно так. Два предлагаемых решения: повторное замораживание, происходящее в простой воде, замедляет процесс; Н-связи ослабляют b/c ионов натрия и хлора.

35 градусов по Фаренгейту, верно? Я предполагаю, что вы и ваш друг не из тех ученых, у которых есть холодильник на 35К. И мне не совсем понятно исходное предположение. Каково положение кубика льда в начале эксперимента? Вы бросаете это? С какой высоты? Когда именно начнется эксперимент? В обычном эксперименте это игнорируется, потому что разница достаточно велика, и первая секунда не имеет значения.
Да, я использую Фаренгейты. Используйте С. как хотите. Эксперимент с холодильником: два стакана воды (12 унций, один с 2 столовыми ложками соли) перед началом доводят до температуры 2°C в холодильнике. Затем в каждый стакан аккуратно кладут кубик льда. Через час или два (множество экспериментов) кубики извлекают и расплавляют, и сравнивают их сравнительные объемы. Куб в простой воде обычно примерно в 5 раз больше, чем в соленой воде. Теперь мне интересно, что произойдет, если лед каким-нибудь элегантным способом принудительно прижать ко дну стакана. Попытаюсь.
Я бы подумал, что лед тает быстрее в соленой воде, потому что соль (растворенное вещество) в соленой воде вызывает понижение точки замерзания. Отсюда и кубик льда чуть ниже 0 о С в соленой воде растает, а в пресной нет.
Сэм: Да, но точный механизм немного загадочен. В пресной воде происходит повторное замерзание и переплавление. В соленой воде такого не бывает. Но с точки зрения передачи энергии это не полное объяснение. Безусловно, существует более низкая точка замерзания. Но почему именно это вызывает этот эффект (лучше: почему это доминирующий эффект)? И тогда почему при перемешивании (в холодильнике) время плавления одинаковое. Мой друг сообщил об этом. Он перемешивал каждые две минуты. Я этого не пробовал. Сейчас я пробую идею заставить кубик льда оставаться на дне стакана.
Какие объяснения вы видели? Какой из них вы считаете правильным и почему? Поскольку вы провели эксперимент, вы находитесь в гораздо лучшем положении, чем мы, чтобы судить, что правильно, а что нет. Разве не в этом смысл вашего эксперимента? +1 за эксперимент. -1 за передачу другим проблемы, которую вы должны решить сами.
Я отредактировал сообщение, указав больше того, что мы знаем, и некоторые предложенные объяснения.

Ответы (2)

Мы провели больше экспериментов и, к нашему удивлению, оказалось, что соленая вода и обычная вода тают лед практически с одинаковой скоростью, если исключить эффект конвекции. Джим Тилли провел два эксперимента: (1) классическая ситуация с комнатной температурой, но перемешивание воды ложкой каждые 30 секунд; (2) все еще при комнатной температуре, но используя проволочную сетку, чтобы поместить кубики в центр стакана. В (2) талая вода будет либо падать, либо подниматься от куба. В обоих случаях скорости плавления были очень близки в пределах погрешности эксперимента. Другой интересный контекст — провести классический эксперимент в холодильнике. Затем талая вода поднимается как в простой воде, так и в соленой. Но повторной заморозки в солевом растворе нет. В этом случае соленая вода растопила лед за 4 часа, а простая вода — более 10 часов; наверное 11 часов.

Вернемся к корпусу холодильника. Для простой воды на границе раздела происходит некоторое повторное замерзание. В соленой воде этого не происходит из-за более низкой температуры замерзания. Чтобы растаять лишнему льду, требуется время, и мы полагаем, что это является причиной огромной разницы во времени таяния, когда температура окружающей воды чуть ниже 2 градусов по Цельсию (35 по Фаренгейту).

Что произойдет при нулевой гравитации? Талая вода будет висеть вокруг кубика льда, и может быть некоторое повторное замерзание, хотя и незначительное из-за температуры окружающей воды комнатной температуры. Так что, возможно, в этом случае соль победит. Но на самом деле непонятно. Есть ли земной эксперимент, который подтвердил бы историю невесомости? Не уверен.

В 35-градусном тесте конвекционные потоки в обоих случаях меньше, чем при комнатной температуре, но еще больше у чистой воды. Абсолютная разница может быть не такой большой, но пропорциональная разница все же значительна. Это все еще объяснение. Это было бы верно даже при 33 градусах, потому что даже небольшая конвекция помогает, а в соленой воде будет меньше (особенно пропорционально, как только что упоминалось). Я не верю, что какое-либо из двух упомянутых решений будет иметь эффект. Нет повторной заморозки; температура на некотором расстоянии от поверхности находится в точке плавления, поскольку теплопередача должна происходить в точке плавления в течение некоторого времени для фазового перехода между твердым при замерзании и жидким при замерзании. И то, что плавится, в обоих случаях одно и то же, поэтому свойства тоже.

Однако при перемешивании вы действительно устранили этот фактор. Таким образом, они должны быть почти точно равными, почти полностью зависящими от вашей способности обеспечить эквивалентное микширование. Вязкость и плотность (а значит, и кинематическая вязкость) соленой воды довольно близки к воде.

Наконец, есть еще один способ устранить различия конвекции между случаями. То есть исключить конвекцию. Если бы у вас был объект, который не плавился, и вы точно измерили его температуру в очень спокойной воде и в соленой воде, результаты в основном вернутся. Хорошим объектом была бы сама термопара, но все, где можно было бы очень точно вычислить температуру во времени. В этом случае будут иметь значение коэффициенты теплопроводности . А соленая вода не так хорошо проводит тепло, как обычная вода. (Примечание: я не говорю, что это играет большую роль в экспериментах, проведенных до сих пор; это не так. Конвекция доминирует над проводимостью даже при очень низких потоках.)

Частично причиной добавления этой последней ситуации было ваше «первое второе» мышление. Из-за более низкого коэффициента теплопроводности градиенты температуры в соленой воде выше при одинаковом количестве теплопередачи, поэтому она менее эффективна. Кажется разумным предположить, что даже первый момент (хотя и меньше секунды) будет быстрее для обычной воды.

И разница не маленькая, 6 − 9 % хуже проводит тепло из-за соли: https://thermtest.com/application/thermal-conductivity-of-salty-water-mixtures

Соленая вода и лед против простой воды и льда
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 2v