Tabla de Contenidos
Vi har alla sett hur isbitar smälter när de läggs i vatten eller någon annan vätska. Vi har också sett hur is placerad på ett bord långsamt förvandlas till en liten pöl med kallt vatten. Men i vilket av de två fallen smälter det snabbare?
Denna artikel försöker illustrera några viktiga begrepp om värmeöverföring från analysen av ett av de vanligaste fusionsfenomenen som vi utsätts för i vårt dagliga liv: smältningen av en isbit.
För vår diskussion, låt oss börja med att definiera några viktiga begrepp.
fusionsprocessen
Smältningen av en isbit är en fysisk fasförändringsprocess där vatten ändras från ett fast till ett flytande tillstånd. Denna typ av fasförändring kallas smältning och är en endoterm process. Det senare innebär att isen måste absorbera värme för att smälta; det vill säga den måste bryta de intermolekylära krafterna som håller ihop vattenmolekylerna stadigt i isen.
Denna process kan representeras av följande ekvation:
där Q smältning är den värme som vattnet måste absorbera för att smälta.
Som du kan se är allt som krävs för att smälta is värme. För att avgöra när is smälter snabbare, om det är i vatten eller i luft, måste vi därför fråga oss i vilken situation is kan absorbera värme snabbare.
Variabler som påverkar fusionsprocessen
Fusion är en process som beror på flera faktorer som temperatur, tryck och närvaron av lösta ämnen i vätskan.
smält temperatur
Först inträffar eller observeras denna fasförändring vid en viss temperatur som kallas smältpunkten. Vad detta betyder är att för att ett ämne ska vara i fast tillstånd måste det ha en temperatur under dess smältpunkt.
Det omvända är också sant. Närhelst vi ser ett ämne i fast tillstånd (som is) som inte smälter, kan vi vara säkra på att det har en temperatur under dess smältpunkt. För att smälta det måste vi först värma det fasta ämnet till dess smältpunkt och sedan lägga till mer värme för att smälta det.
Detta har en viktig implikation för vårt problem: när vi överväger var en is kommer att smälta snabbare, måste vi se till att i båda fallen är isen i fråga vid samma initiala temperatur. Annars kommer mer värme att behövas i ett fall för att få isen till sin smältpunkt.
tryckeffekt
Smältpunkten för de flesta fasta ämnen ökar med trycket, men i fallet med vatten är det precis tvärtom. Detta beror på en onormal egenskap hos vatten, som är att vatten i fast tillstånd (dvs. is) till skillnad från de allra flesta rena ämnen är mindre tät än flytande vatten.
Detta orsakar en ökning av trycket för att hjälpa till att omvandla is till vatten (som har en mindre specifik volym). Därför krävs mindre värmeenergi för att separera vattenmolekylerna och smälta isen, och isen smälter vid en lägre temperatur (dvs lättare).
lösningseffekt
Å andra sidan är närvaron av lösta ämnen eller föroreningar i en vätska också en faktor som påverkar smältpunkten. I själva verket är det en kolligativ egenskap hos lösningar som kallas kryoskopisk depression eller smältpunktsdepression.
Med tanke på dessa två faktorer som kan påverka vattnets smältpunkt och därför kan påverka hur snabbt en isbit smälter i ett sådant och ett sådant medium, måste vi se till att fortsätta analysen för att säkerställa att vi i båda fallen har att göra med vatten som är helt ren och fri från alla lösta ämnen. Vi måste också se till att atmosfärstrycket i båda fallen är detsamma och förblir konstant. Detta kommer i hög grad att underlätta analysen av problemet så att vi kan fokusera på den enda variabeln som intresserar oss: om isen är omgiven av flytande vatten eller luft.
Mekanismer för värmeöverföring
Vi har redan klargjort att för att en is ska smälta måste den absorbera värme från omgivningen. Denna värme kommer först att fylla rollen att värma isbiten till dess smältpunkt och sedan utföra själva smältningsprocessen.
Om vi börjar med två isbitar av samma storlek, form och massa, gjorda av helt rent vatten, och som har samma initiala temperatur, kommer båda isbitarna att kräva exakt lika mycket värme för att smälta.
Därför måste vi analysera var isen kommer att kunna absorbera värme snabbare: från luften eller från flytande vatten. För att göra detta måste vi förstå de olika sätten på vilka värme kan överföras, som är: konvektion, ledning och strålning.
Värmeledning
Denna överföringsmekanism är den som sker genom direkt kontakt mellan partiklarna som bildar två kroppar (eller två termodynamiska system) som har olika temperaturer. Det är den typen av överföring som sker när vi bränner våra händer genom att till exempel röra vid en het panna. Det är också den typ av värmeväxling som sker mellan is och vatten eller mellan is och luft.
Värmeledningshastigheten beror på flera faktorer. Bland dem finns kontaktytan, temperaturgradienten (det vill säga temperaturskillnaden mellan två punkter dividerat med deras avstånd) och mediets värmeledningsförmåga (vilket är inget annat än ett mått på hur väl värme leder ett material).
Av alla dessa variabler kan vi kontrollera kontaktytan genom att se till att båda isarna har samma form och samma dimensioner. Vi kan också styra temperaturgradienten genom att styra starttemperaturen på både is, vatten och luft. Värmeledningsförmågan kommer dock att vara annorlunda när det gäller luft och vatten.
konvektion
Konvektion är ett fenomen som uppstår i vätskor som vätskor och gaser. Den består av förflyttning av vätskepartiklar som har en temperatur mot områden där temperaturen är annorlunda. Konvektion kan vara naturlig om rörelsen genereras av skillnader i densitet orsakade av skillnader i temperatur, eller så kan den produceras mekaniskt som när varm mat blåses.
Strålningen
Slutligen avger varje yta energi i form av elektromagnetisk strålning. Till exempel kan elden värma oss med sin ljusstyrka även om vi inte kommer i kontakt med den varma luften som kommer ut genom konvektion.
Så var smälter isen snabbast?
Vi har nu alla verktyg för att svara på denna fråga. För att förenkla analysen så mycket som möjligt ska vi se till att hålla konstanta alla de variabler som kan påverka smältningen av vattnet och bara behålla de som är direkt beroende av luft och vatten.
Vi börjar med två identiska isbitar gjorda av rent vatten, med samma form och samma storlek; båda har samma initiala temperatur. Vi sänker den ena i en stor behållare med vatten som har samma temperatur som luften, och vi placerar den andra ovanpå en värmeisolerande yta i kontakt med luften. Vi gör hela experimentet i ett slutet rum där det inte finns några drag, vilket minimerar alla former av värmeöverföring utom ledning.
Dessutom kommer ledningen att bestämmas huvudsakligen av mediets material; i båda fallen kommer temperaturgradienten att vara väsentligen densamma och kontaktytan kommer att vara densamma, så hastigheten för värmeöverföringen, och därför hastigheten med vilken isen smälter, kommer huvudsakligen att bero på halvans värmeledningsförmåga.
Eftersom vatten leder värme nästan 30 gånger snabbare än luft, kommer is att smälta snabbare i vatten .
Ytterligare faktorer att ta hänsyn till
Det bör noteras att ovanstående inte representerar en djupgående och detaljerad analys av problemet. Det faktum att is flyter på vatten övervägs till exempel inte, så en del av den kommer att exponeras för luften och kommer inte att vara i termisk kontakt med vattnet.
Detsamma händer med is som är i luften, eftersom den nödvändigtvis måste vila på någon yta, så en av dess ansikten kommer inte att vara i kontakt med luften utan med den ytan. Om värmeledningsförmågan för denna yta är större än luftens, kommer isen att absorbera värme snabbare genom denna yta och smälta snabbare.
Vid smältning ökar det också ytarean på den smälta isen (dvs vatten) i kontakt med ytan, vilket förvärrar effekten.
Trots detta kan man uppskatta att dessa effekter kommer att vara små jämfört med den stora skillnaden mellan vattens och lufts värmeledningsförmåga.
Referenser
- Connor, N. (2020, 8 januari). Vad är värmeledningsförmågan för vatten och ånga? – Definition . Hämtad från https://www.thermal-engineering.org/es/que-es-la-conductividad-termica-del-agua-y-el-vapor-definicion/
- Laplace.us. (nd). Vattenegenskaper . Hämtad från http://laplace.us.es/wiki/index.php/Propiedades_del_agua
- MINEDUC. (2019). Värmeöverföring . Hämtad från https://www.mineduc.gob.gt/DIGECADE/documents/Telesecundaria/Recursos%20Digitales/3o%20Recursos%20Digitales%20TS%20BY-SA%203.0/CIENCIAS%20NATURALES/U9%210pp%200transferen%200%200 20av%20värme.pdf
- Termotestinstrument. (2020, 28 augusti). Värmeledande material och vanliga applikationer . Hämtad från https://thermtest.com/latinamerica/materiales-termicamente-conductores-y-aplicaciones-comunes
