In unserem Test gab es eine Frage, die so lief:
Frage 4 Sie haben ein Glas Eiswasser auf einem unbeschatteten Picknicktisch und sind 30 Minuten spazieren gegangen. Als Sie zurückkamen, bemerkten Sie, dass das Glas außen Wasser hat.
a. Erklären Sie in Bezug auf die Wärmeübertragung, was mit dem Glas Wasser passiert ist.
Die Mehrheit der Klasse hat diese Frage verstanden und richtig beantwortet.
b. Wäre mehr oder weniger Wasser auf der Außenseite des Glases gewesen, wenn der Picknicktisch im Schatten gestanden hätte? Erklären.
Diese Frage löste viele Kontroversen aus, da die Mehrheit der Schüler (mich eingeschlossen) glaubte, dass der Schatten mehr Wasser auf der Außenseite verursacht hätte. Wohingegen der Lehrer und einige Schüler dachten, dass die Sonne draußen mehr Wasser verursacht hätte.
Die Begründung des Lehrers war nicht sehr überzeugend und deshalb sind wir in dieses Forum gekommen, um zu fragen, was die richtige Antwort auf Teil b ist und vor allem WARUM?
Wir sind 16 bis 17 Jahre alt, wenn Sie das Niveau für die Erklärung kennen müssen.
Offensichtlich ist es der Wasserdampf in der Luft, der auf der Glasoberfläche kondensiert, und das Eis im Inneren des Glases spielte die Rolle, die Glasoberfläche auf einer bestimmten Temperatur zu halten. Ich werde jetzt das Problem auf das Wesentliche vereinfachen.
Ich weiß nicht, aus welchem Material das Glas war, aber sagen wir, es war aus einem hochleitenden Material, so dass wir annehmen können, dass die Temperatur über die gesamte (äußere) Glasoberfläche gleichmäßig war. Da sich im Inneren des Glases Eis befindet, ist es vernünftig anzunehmen, dass die Temperatur im Inneren des Glases im Laufe der Zeit konstant ist, wobei sich der Wärmefluss (von der Umgebung zum Glas) selbst anpasst, um diese Temperatur aufrechtzuerhalten. Außerdem nehmen wir an, dass ein stationärer Zustand erreicht worden ist. Nehmen wir auch an, dass Glas oben geschlossen ist, obwohl dies keine ernsthafte Annahme ist und gelockert werden kann. Wir werden die Wirkung von Wind und daraus resultierender Verdunstung vernachlässigen. Wir gehen davon aus, dass der Wasserdampfdruck in der Luft konstant bleibt.
Hier ist also das vereinfachte Problem: Gegeben zwei geschlossene hohle Objekte, beide mit Eis gefüllt, so dass die Temperatur an der Innenwand des Objekts ( ) konstant ist und einer im Schatten gehalten wird, während der andere in der Sonne steht, wodurch sich nach Erreichen des stationären Zustands eine größere Kondensatbildungsrate (an seiner Außenfläche) ergibt?
Wärmefluss zu Glas im Schatten ist , und dass das Glas in der Sonne liegt , mit . Lassen und sei die Temperatur der Außenfläche des Glases im Schatten bzw. in der Sonne; beide müssen natürlich höher sein als . Dann seit Wir müssen haben (Warum? Hinweis: Die Wärmeübertragung durch die Wand hängt von der Temperaturdifferenz über die Wand ab). An der kühleren Oberfläche, also im Schatten, tritt eine größere Kondensatbildung auf.
PS Ich werde kurz erklären, warum die Kondensationsrate für eine kältere Oberfläche höher sein muss. Die Kondensation von Wasserdampf auf einer Oberfläche ist das Ergebnis der Tatsache, dass mehr Wassermoleküle aus der Luft auf der Oberfläche abgelagert werden, als an die Luft verloren gehen. Die Geschwindigkeit der Abscheidung hängt vom Wasserdampfdruck in der Luft ab, den wir als konstant angenommen haben und der daher für beide Gläser gleich ist. Die Geschwindigkeit, mit der auf dem Glas abgelagerte Wassermoleküle an die Luft verloren gehen, hängt jedoch von der Temperatur der Oberfläche ab, und je niedriger die Temperatur ist, desto geringer ist dieser Nettofluss nach außen (siehe hier ).
Das Beste, was Ihre Klasse tun könnte, wäre ein Experiment. Sie können darüber nachdenken, wie Sie dies am besten tun, aber ein paar Vorschläge sind:
Wir können auch versuchen, das Ergebnis mit einem groben Argument vorherzusagen. In meiner Argumentation mache ich die Vereinfachung, dass am Ende der 30 Minuten immer noch Eis im Glas ist. Dies ist eine nützliche Vereinfachung, da das Wasser in den Gläsern während des gesamten Experiments auf einer konstanten Temperatur gehalten wird. Ich werde mir auch eine etwas genauere Beschreibung des Experiments vorstellen. Ich werde sagen, dass wir einen Picknicktisch in der Sonne haben und ein Sonnenschirm die Hälfte des Tisches im Schatten abdeckt.
Dann können wir darüber nachdenken, welche Variablen die Rate steuern, mit der sich Kondensation auf dem Glas bildet. Einige Kandidaten sind:
Wir können feststellen, dass die Temperatur des Wassers im Glas in beiden Fällen gleich ist, da beide Eis enthalten. Die Luftfeuchtigkeit wird sich zwischen Sonne und Schatten kaum unterscheiden. Dies liegt daran, dass sich die Wassermoleküle in der Luft zufällig bewegen und sich daher tendenziell gleichmäßig verteilen. Tatsächlich sind auch die Lufttemperaturen in der Sonne und im Schatten gleich. Die zufälligen Kollisionen in der Luft neigen dazu, die Wärmeverteilung in der Luft zu glätten. Da wir unsere beiden Gläser so gewählt haben, dass sie nahe beieinander stehen (auf demselben Picknicktisch), sind die Lufttemperatur und die Luftfeuchtigkeit in beiden Fällen fast gleich.
Wir sehen, dass alle drei Variablen, die die Geschwindigkeit der Kondensationsbildung steuern, in beiden Fällen gleich sind. Daher würde ich voraussagen, dass Sie im Experiment keinen signifikanten Unterschied in der Menge der Kondensation in den abgedunkelten und nicht abgedunkelten Gläsern feststellen könnten.
Berücksichtigen Sie die Möglichkeit, dass es keine „richtige“ Antwort gibt.
Vielleicht war der Zweck der Frage nur, Sie dazu zu bringen, über eine körperlich interessante Situation nachzudenken und zu diskutieren.
Die Kondensation hängt mindestens von den folgenden Faktoren ab
Es ist möglich, dass direktes Sonnenlicht alle diese Faktoren beeinflusst, und die Auswirkungen auf die Kondensation wirken in verschiedene Richtungen. Welcher Effekt dominiert, kann von mehreren Faktoren abhängen, die nicht in der Frage angegeben sind. Selbst wenn es in den meisten Situationen eine "richtige" Antwort gibt, kann es sein, dass es nicht möglich ist, dies basierend auf einem einfachen physikalischen Argument sicher zu schließen.
Die Antwort bezieht sich auf die erste Frage.
Wenn Eis in Glas aufbewahrt wird, absorbiert es Wärme aus den Wasserdämpfen, die in der umgebenden Atmosphäre vorhanden sind.
Also Wasserkondensatoren drumherum.
Nun, der Unterschied, wenn es im Schatten und in der Sonne gehalten wird, besteht darin, dass das Eis auch Wärme von den Sonnenstrahlen absorbiert, die auf das Eis fallen, wenn es in der Sonne gehalten wird. Es wird mehr Wärme von der Sonne als durch Wasserdämpfe und die Atmosphäre verbraucht.
Im Schatten, da keine Sonnenstrahlen fallen, wird mehr Wärme aus der Atmosphäre absorbiert.
Im Schatten kondensiert also mehr Wasser um Glas herum als in der Sonne, weil das Eis in der Sonne eine bessere oder andere Quelle hat, um Wärme zu absorbieren.
Wasser wird also mehr im Schatten sein.
Sie werden sehen, dass Ihre Annahmen über das Experiment einen Unterschied machen können. Am Ende gebe ich Ihnen eine Wendung, die den Unterschied ausmachen kann:
Lassen Sie uns einige vereinfachende Annahmen treffen und erklären, warum diese Annahmen sinnvoll sind:
Wenden wir uns zunächst den makroskopischen Bedingungen zu. Damit meine ich die Bedingungen, die im größten Teil des Raumes, in dem dieses Experiment stattfindet, einheitlich herrschen:
Nehmen wir in Bezug auf das Glas Eiswasser an, dass es für die Dauer des Experiments Eis enthält. (Der Grund dafür ist, dass dies offensichtlich eine Selbstverständlichkeit ist – Sie haben ein Glas Eiswasser.)
Wir können auch davon ausgehen, dass das Glas Eiswasser für die Dauer des Experiments eine konstante Temperatur hat. Der Grund dafür ist, dass Eis beim Schmelzen Wärme absorbiert, ohne die Temperatur zu ändern. Das passiert, wenn ein Material eine Phasenänderung erfährt. (zum Beispiel fest zu flüssig oder flüssig zu gasförmig). Also, mit der ersten Annahme (es ist immer Eis vorhanden), dann bleibt die Temperatur konstant. ( Phasenübergang von Wasser )
Für den Versuch in der Sonne und den Versuch im Schatten sind alle anderen Bedingungen identisch. (Wir könnten einen offenen Raum annehmen, da das Glas auf einem Picknicktisch steht.) So sind beispielsweise Lufttemperatur (siehe unten) und Luftdruck identisch. Wenn es überhaupt windig ist, dann ist das in beiden Fällen gleich. (Nehmen wir an, es ist nicht windig, aber Sie können dies weiterführen und sich fragen, wie dies die Schlussfolgerung ändern würde, wenn dies der Fall ist.)
Die Lufttemperatur ist im Schatten die gleiche wie in der Sonne. Ich weiß, was Sie denken, aber Sie müssen verstehen, dass die Lufttemperatur ein Maß für die kinetische Energie der Moleküle in der Luft ist. ( Warum offizielle Temperaturen immer im Schatten gemessen werden) Da sich die Moleküle tatsächlich sehr schnell bewegen (im Durchschnitt mit Schallgeschwindigkeit), dauert es nicht lange, bis sie sich zwischen einem schattierten Bereich und einem nicht schattierten Bereich bewegen. (Wenn Sie das in Frage stellen, denken Sie darüber nach, wie schnell sich ein Geruch ausbreiten kann, selbst in "stiller" Luft. Wenn Sie sich immer noch nicht sicher sind, versuchen Sie ein Experiment mit etwas, das Sie leicht riechen können.)
Die Luftfeuchtigkeit ist im Schatten genauso hoch wie in der Sonne. Das ist dasselbe wie zu sagen, dass für ein bestimmtes Luftvolumen der Anteil der Moleküle, die Wassermoleküle sind, konstant ist, unabhängig davon, ob sie sich im Schatten befinden. Die Luftfeuchtigkeit hängt von der Lufttemperatur und der kinetischen Energie der Luftmoleküle ab, um zu verhindern, dass Wasser auskondensiert. Außerdem bewegen sich Wassermoleküle in der Luft mit ähnlichen Geschwindigkeiten wie alle anderen Luftmoleküle.
Schauen wir uns nun einige mikroskopische Bedingungen an, insbesondere an der Oberfläche des Glases:
( Konvektion ) Wärmeübertragung findet an der Oberfläche des Glases statt.
Luftmoleküle, einschließlich des verdunsteten Wassers (der Feuchtigkeit), verlieren Energie, wenn sie auf die kalte Oberfläche des Glases treffen. Dies nennt man Konvektionswärmeübertragung ( Konvektion ), das ist die Übertragung von kinetischer Energie vom Gas auf das kalte Glas. Genügend Wassermoleküle können Energie verlieren, um zum Kondensationspunkt zu gelangen , wodurch das Wasser an der Seite des Glases entsteht. (Andere Arten von Molekülen in der Luft kondensieren bei den Temperaturen, über die wir hier sprechen, nicht so leicht.)
Wassermoleküle an der Seite des Glases gewinnen Energie, wenn sie von sich schnell bewegenden Luftmolekülen getroffen werden. Dies kann ausreichen, um Verdunstung zu verursachen .
Dies ist ein kontinuierlicher Prozess, aber wenn Sie sehen, dass Kondensation auftritt, muss die Kondensationsrate größer sein als die Verdunstungsrate!
Fazit
Wir haben angenommen, dass abgesehen vom Sonne/Schatten-Unterschied alle Bedingungen zwischen den beiden Experimenten gleich sind:
Das Glas hält eine konstante Temperatur, solange es Eis gibt, da Wärme, die aus der Umgebung hinzugefügt wird, nur dazu dient, das Eis von fest zu flüssig zu verändern.
Die Auswirkungen der Lufttemperatur wurden als gleich erklärt, da die Lufttemperatur ein Maß für die kinetische Bewegung der Luftmoleküle ist und sich alle Moleküle frei und schnell zwischen Schatten und Sonne bewegen.
Bedingungen an der Oberfläche des Glases können zu Phasenänderungen führen. Dies kann gleichzeitig zu Kondensation und Verdunstung führen. Energieübertragungsmechanismen steuern die Nettoergebnisse.
Das im Sonnenlicht durchgeführte Experiment hat eine zusätzliche Energiequelle, die den Kondensations- und Verdunstungsprozess beeinflusst. Strahlung kann die Verdunstung erhöhen.
Wir müssen schlussfolgern, dass sich das Verhältnis von Verdunstung vs. Kondensation zwischen den beiden Experimenten unterscheidet und dass weniger Wasser an der Seite des Glases vorhanden ist, wenn das Experiment im Sonnenlicht durchgeführt wird.
Ob das nun eine spürbare Menge sein wird, ist eine andere Frage. Aber unter den richtigen experimentellen Bedingungen kann dies genau gemessen werden.
Ich würde es meinem Physiklehrer an der High School zutrauen, so etwas zu tun, aber nehmen wir an, dass das "Eiswasser" zu Beginn des Experiments kein Gleichgewicht erreicht hat. Das bedeutet, dass beim Schmelzen des Eises das freigesetzte flüssige Wasser eine kältere Temperatur hat als der Rest der Flüssigkeit.
Das bedeutet, dass ein Teil der Wärmeenergie des Wassers zur Erwärmung dieses freigesetzten Wassers verwendet werden muss.
Im schattierten Experiment erwarten wir, dass das Eis länger braucht, um zu schmelzen. (Weniger Strahlungsenergie auf dem Glas!).
Die Wärmeübertragung zwischen der Luft und dem Glas erfolgt mit einer Rate, die proportional zu ihrer Temperaturdifferenz ist (alle anderen sind gleich). Dies führt zu weniger Kondensation (und mehr Verdunstung), während das Glas eine Temperatur über dem Gleichgewicht hat.
Wir würden erwarten, dass das Glas im sonnenbeschienenen Experiment früher das Gleichgewicht erreicht als das im schattierten Experiment.
Jetzt haben Sie einen Fall, in dem die Verdunstung durch Strahlung durch diesen thermischen Äquilibrierungsprozess des Eiswassers ausgeglichen werden kann.
Wenn Sie die Nettokondensation über die 30-minütige Zeit des Experiments integrieren würden, würden Sie sehen, dass das sonnenbeschienene Glas tatsächlich mehr Kondensation erzeugen könnte.
Kondensation auf dem Glas hat alles damit zu tun, ob die Luft in der Nähe der Glasoberfläche den Taupunkt (Temperatur) erreicht hat oder nicht.
Der Taupunkt hängt von der Luftfeuchtigkeit ab.
Am Taupunkt kondensiert der Wasserdampf in der Luft zu flüssigem Wasser.
Interessant ist, dass die Kondensationsrate nicht nur von der Temperatur der Luft beeinflusst wird , sondern auch von der Rate , mit der dem kondensierenden Wasserdampf in der Luft Wärme entzogen werden kann.
Wenn die Sonne auf das Glas scheint, wird die Strahlungswärme der Sonne vom Glas und dem Kondenswasser absorbiert und erhöht so die Außentemperatur des Glases und des Kondenswassers.
Dies erhöht wiederum die Wärmeübertragungsrate durch das Glas und erhöht zusammen mit der vom Eis/Wasser im Glas absorbierten Strahlungswärme die Geschwindigkeit, mit der Eis im Glas schmilzt.
Das Luftvolumen um das Glas, das sich auf oder unter dem Taupunkt befindet, ist im Schatten wahrscheinlich größer, da die Außenseite des Glases eine niedrigere Temperatur hat, und dies könnte zu einer höheren Kondensationsrate von Wasserdampf führen.
Es scheint mir, dass ein Glas an einem schattigen Ort dazu führt, dass in einer bestimmten Zeit mehr Wasserdampf kondensiert.
Hier gibt es viele lange Antworten, die wahrscheinlich weit über das Modell hinausgehen, das ein Physiklehrer an einer High School mit seinen Schülern anwenden wird.
Sie geben die Lehrer oder Ihre Argumentation nicht im Detail an, aber ich vermute, die Antwort des Lehrers beruht auf einer einfachen Tatsache: Warme Luft kann mehr Wasser aufnehmen als kalte Luft .
Der Tisch in der Sonne (nach dieser Denkweise) ist wärmer als der Tisch im Schatten, aber die Temperatur des Glases ist in beiden Fällen gleich. Daher ist mehr Feuchtigkeit in der heißen Luft, die auskondensiert.
Hier gibt es viele erschwerende Faktoren. Hätte die Luft in der Sonne wirklich mehr verdunstete Feuchtigkeit als im Schatten? Es scheint mir nicht wahrscheinlich, zumindest nicht in unmittelbarer Nähe. Wie verändert die Sonneneinstrahlung die Dinge? Würde dadurch ein Teil des Wassers verdunsten? Sehr schwierig zu modellieren, besonders ohne weitere Details.
Um dies zu beantworten, müssen einige Annahmen getroffen werden. Ich gehe mal von folgendem aus:
Bei all diesen Bedingungen sollte es keinen Unterschied in der Kondensation zwischen dem Glas in der Sonne und im Schatten geben. Sie haben ein Glasobjekt, das auf einer festen Temperatur gehalten wird und von derselben Luft mit derselben Temperatur und Feuchtigkeit sanft umwirbelt wird.
Die Antwort läuft also auf subtile Effekte hinaus, die einige der Annahmen nicht ganz wahr machen. Da solche Details in der Frage nicht angegeben wurden, lautet die richtige Antwort Sie können der Frage nicht entnehmen .
Zum Beispiel wird Annahme Nr. 2 nicht genau wahr sein. Selbst ein durchsichtiges Glas mit klarem Wasser und Eis im Inneren absorbiert ein wenig Energie von der Sonne. Das meiste davon wird in die Erwärmung des Wassers fließen, was nur dazu führt, dass mehr Eis in der gleichen Zeit schmilzt. Das hält das Wasser immer noch auf der gleichen Temperatur, bis das Eis erschöpft ist.
Die winzige Erwärmung an der Außenseite des Glases führt dort jedoch zu einem leichten Temperaturanstieg, obwohl das Innere des Glases eine feste Temperatur hat. Dieser leichte Anstieg würde die Kondensationsmenge leicht verringern.
Aber als Kontrapunkt könnte es sowohl mehr als auch weniger Kondensation in der Sonne geben, da Annahme Nr. 3 nicht ganz richtig ist. Angenommen, der Picknicktisch ist aus Holz und etwas feucht. Die Sonneneinstrahlung würde direkt über dem Tisch, wo sich das Glas befindet, mehr Feuchtigkeit verursachen, was zu mehr Kondensation führen würde. Wenn der Tisch trocken ist, würde die Sonneneinstrahlung eine etwas wärmere Luft direkt über dem Tisch verursachen, was zu weniger Kondensation führt.
Auch hier gibt es keine klare Möglichkeit, die Sonne/Schatten-Frage ohne weitere Details zu den Bedingungen zu beantworten, da der Unterschied in der Kondensation von subtilen Effekten abhängt, die von den Details abhängen.
Manchmal kann ein mentales Experiment, das die Bedingungen extremer macht, aufschlussreich sein. Mir fallen zwei ein:
Lassen Sie das Glas stattdessen eine Tasse sein, die aus einem isolierenderen Material besteht; Nur damit es kaum zu einer grenzwertigen Kondensation kommt, wenn die Tasse im Schatten unter einem Sonnenschirm steht. Stellen Sie sich das Material schwarz vor, um die Lichtabsorption zu erhöhen.
Entfernen Sie nun den Regenschirm. Ich wette, dass sich die der Sonne ausgesetzte Tassenoberfläche aufheizt (vorausgesetzt, die Sonne scheint schräg) und die Kondensation aufhört, zumindest auf der Seite, auf die die Sonne scheint. Beim meist transparenten Glas ist der Effekt derselbe, nur schwächer.
Nehmen Sie das ursprüngliche Glas-Setup. Setzen Sie es jedoch nicht der Sonne aus, sondern einem 100-kW-Punktlicht, wie es auf Filmsets verwendet wird, wodurch die Lichtintensität effektiv um eine oder zwei Größenordnungen erhöht wird. Ich wette, die Glasoberfläche und das Kondenswasser (das Infrarot gut absorbiert) werden sich etwas erwärmen, was zu weniger Nettokondensation führt.
Die Kondensation hängt hauptsächlich von der relativen Luftfeuchtigkeit an der Glasoberfläche ab.
Die relative Luftfeuchtigkeit (kann die Luft noch mehr Wasser aufnehmen?) wiederum hängt von der absoluten Luftfeuchtigkeit (Gramm Wasser/Gramm Luft) und der Temperatur ab (weil warme Luft viel mehr Wasser aufnehmen kann). Die Luft in warmen Klimazonen wie Houston kann viel Wasser transportieren, das auf Ihrem kalten Glas kondensiert. Die Luft in kalten Klimazonen ist absolut gesehen viel trockener – das berühmte Extrem ist die Luft am Südpol.
Weil es in der Sonne wärmer wird, könnte man versucht sein zu glauben, dass mehr Wasser kondensieren wird, wie es im warmen Houston der Fall wäre. Aber die Luft im Schatten und in der Sonne ist die gleiche Luft , die die gleiche Menge an absolutem Wasser enthält. Es verhält sich unter identischen Bedingungen auf der Glasoberfläche identisch. Wenn überhaupt, können die wärmere Luft und die Sonne die Glasoberfläche erwärmen, was zu weniger Kondensation führt, und die warme Luft in der Sonne (die relativ trockener ist, weil sie mehr Wasser aufnehmen kann) beschleunigt die Verdunstung und verschiebt das dynamische Gleichgewicht weg von Kondensation.
Mir ist aufgefallen, dass ein Kommentator sagte, dass die Frage von Natur aus mehrdeutig sei, ob Sie Kondensat zählen, das von der Seite des Glases abgerollt ist.
Frage : Hätte sich mehr oder weniger Wasser auf der Außenseite des Glases befunden, wenn der Picknicktisch im Schatten gestanden hätte?
In der Tat, wenn ich es besonders amüsant interpretieren würde, würde im Schatten weniger Wasser aus dem Inneren des Glases in die Luft verdunsten, und daher wäre weniger Wasser auf der Außenseite des Glases.
Abgesehen davon erwähnte ein anderer Kommentator auch, dass Sie nicht erwarten können, dass das Eis ungeschmolzen bleibt, wenn Sie es eine halbe Stunde lang in der Sonne lassen, und es ist sehr wahrscheinlich, dass die Sonne die Außenseite austrocknet, nachdem das Eis geschmolzen ist das Glas durch Verdunstung. Im Schatten kann man sich leicht vorstellen, dass das Glas mit Eiswasser gefroren bleibt, wenn Sie zurückkommen, sodass immer noch Wasser an der Seite des Glases kondensiert.
Daher sehe ich hier keine große Notwendigkeit für komplizierte Argumentationen.
David Weiß
Klassenfrage
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