Dehnt sich Wasser in einem starren Behälter, der an einem Ende offen ist, gleichmäßig aus?

Nehmen wir an, es gibt einen halbstarren Behälter (z. B. aus Kunststoff). Es wird zu 90 % mit Wasser gefüllt und aufrecht stehend in einen Gefrierschrank gestellt. Die Oberseite des Behälters ist offen. Wenn das Wasser gefriert, dehnt es sich meines Wissens ungefähr gleichmäßig in alle Richtungen aus: https://www.reddit.com/r/askscience/comments/278z5x/when_water_freezes_does_it_expand_uniformly_in/ Meine Frage ist also: Wird das Eis aufhören, sich gleichmäßig auszudehnen, wenn es einmal es ist an die Containerwände gelangt? Wird es sich nur entlang einer Achse ausdehnen, wenn es diese Wände erreicht?

Ich weiß auch, dass Wasser aufgrund von Dichteänderungen beim Gefrieren von oben nach unten gefriert: Warum gefriert Wasser von oben nach unten? Ich stelle mir also vor, dass das Wasser am oberen Ende der Wasserlinie gefriert und dann der Eisblock geschoben wird nach oben in den Behälter, während es weiter gefriert. Ist das wahr? Werden die Seitenwände drucklos, wenn der Behälter nicht geschlossen ist? Oder wölbt sich der Behälter immer noch an den Seiten? Wenn es sich wölbt, was bewirkt dann, dass sich das Eis weiter in Richtung der Seitenwände ausdehnt?

Ich denke nicht, dass "Wasser gefriert von oben nach unten" eine korrekte Aussage ist. Wo es kalt ist, gefriert es. Und auch die Geschwindigkeit des Abkühlens ist wichtig.
Entschuldigung, das verstehe ich. Ich denke, das Sprichwort "von oben nach unten" kommt von der Beobachtung des Einfrierens von Seen. Der Boden wirkt wie ein Isolator, sodass die Wasseroberfläche zuerst gefriert. Dies ist auch bei dickwandigen Behältern zu beobachten.
Aus dem Video sieht es so aus, als ob das Wasser, das mit einer Wand des Behälters in Kontakt kommt, zuerst gefriert und das Wasser oben herausdrückt. Sehr interessant. Die Flasche scheint sich durch diesen Vorgang überhaupt nicht zu wölben.

Antworten (1)

Hier ist mein Verständnis - es hängt von der genauen Form des Behälters und den leitfähigen Eigenschaften der Wände ab.

Wie Sie sagen, wird die Oberfläche der Flüssigkeit zuerst gefrieren. Dafür gibt es zwei Gründe. Erstens hat Wasser bei 0 °C eine geringere Dichte als Wasser bei 4 °C, also „steigt kaltes Wasser nach oben“. Und da das kälteste Wasser zuerst gefriert (abgesehen von Nukleationseffekten), beginnt das Gefrieren mit einem Film auf der Oberfläche.

Sobald jedoch die gesamte Flüssigkeit eine Temperatur von 0 °C erreicht hat, kann im Prinzip jede Stelle, an der Wasser seine Schmelzwärme verlieren kann, zu Eis werden. Wenn die Wände ausreichend leitfähig sind, gefriert schließlich das Wasser neben den Wänden schneller als das Wasser unter dem Eis an der Oberfläche (wenn die Eisschicht dicker wird, beginnt sie als Isolator zu wirken). Und sobald Sie eine Eisregion "auf allen Seiten des Behälters" haben, führt die Volumenzunahme, die mit dem weiteren Gefrieren einhergeht, zu einem isostatischen Druckanstieg im Inneren des "Eisdruckbehälters". Im Prinzip führt dies zu Druck in alle Richtungen - und da das Eis oben normalerweise dicker (und daher steifer) ist, können Sie sich vorstellen, dass seitlich mehr Druck ausgeübt wird.

Wenn der Behälter ziemlich flach ist und / oder die Wände ziemlich isolierend sind, kann das Einfrieren von oben nach unten fortgesetzt werden. Es hängt davon ab, ob...

Ich verstehe. In einem extremeren Fall, in dem Sie einen dünnwandigen Stahlbehälter haben (dh der Behälter ist sehr wärmeleitend), würden definitiv Druckprobleme an den Behälterwänden auftreten. Außerdem ist der Behälter, den ich mir vorstelle, nur ein einfaches glattwandiges Rohr, das unten geschlossen ist, damit es Wasser aufnehmen kann.
Ja das ist mein Verständnis.
Unter bestimmten Bedingungen bekommt man Eisstacheln .
Ich habe noch etwas über die Behälterform nachgedacht. Wenn ich einen kegelförmigen Behälter mit der Spitze nach unten hätte, sollte das Gefrieren aufgrund des erhöhten Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnisses in Bodennähe von unten nach oben erfolgen und dadurch den Druck auf die Seitenwände erheblich verringern. Klingt das richtig?
@jasonbcox, wenn Sie eine ausreichende Leitfähigkeit durch die Wände haben, dann ja, das würde das Wachstum von unten nach oben fördern. Aber nur in kleinen Gefäßen und wenn das Wasser bereits gleichmäßig 0°C hat. Denken Sie daran, dass in einem größeren Gefäß (Seen usw.) 4 °C Wasser auf den Boden fallen (höchste Dichte). Wenn Sie mit "warmem" Wasser beginnen, reicht die Kegelform möglicherweise nicht aus, um ein Gefrieren von unten nach oben zu gewährleisten.
Dehnt sich Wasser in einem starren Behälter, der an einem Ende offen ist, gleichmäßig aus?
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