Недавно мне было интересно, есть ли какая-то конкретная формула для расчета того, сколько времени требуется для замерзания определенных жидкостей (особенно воды).
Я знаю, что это зависит от:
Чтобы не усложнять, предположим, что жидкость окружена воздухом, а контейнер не имеет изоляции. Это просто из чистого любопытства, поэтому я не делал никаких расчетов.
Да, это возможно, хотя обычно это сложно.
Если у вас есть шар с водой при температуре 0ºC и вы поместите его в морозильную камеру при некоторой температуре T ниже нуля, то скорость оттока тепла от шара будет приблизительно определяться законом охлаждения Ньютона . Если скорость охлаждения низкая, и вы можете предположить, что температура внутри воды постоянна, то поток тепла на единицу площади будет постоянным, пока вода замерзает. Время замерзания будет равно общей скрытой теплоте плавления, деленной на скорость теплового потока на единицу площади, деленной на общую площадь поверхности.
Однако даже в этой упрощенной ситуации мы не знаем константу пропорциональности в законе Ньютона, и это будет зависеть от деталей окружающей среды, например скорости воздушных потоков. Лучшее, что мы могли бы сделать, это сделать вывод, что время замораживания будет пропорционально радиусу сферы, потому что оно пропорционально объему, деленному на площадь. Мы также должны найти, что время обратно пропорционально разности температур.
Жизнь усложняется, когда скорость охлаждения слишком высока, чтобы мы могли предположить отсутствие температурного градиента в воде. Например, снаружи образуется ледяная корка, а лед является лучшим изолятором, чем вода (потому что в воде возникают конвекционные потоки). В этом случае скорость теплового потока (и, следовательно, замерзания) была бы обратно пропорциональна толщине корки льда.
Последняя сложность заключается в том, что вода легко переохлаждается. Вы можете предположить, что вода замерзнет ровно при 0ºC, если нет барьера для зарождения кристаллов льда.
да. Вы можете использовать закон охлаждения Ньютона, когда разница температур между вашей жидкостью и окружающей средой составляет менее 40 градусов. При разнице температур более 40 градусов действует закон Стефана.
Олин Латроп
Джим