Ein berühmtes Rätsel ist, ob ein Eiswürfel im Salzwasser oder im Süßwasser schneller zu Nichts schmilzt. Die Antwort ist Süßwasser, denn das vom Eiswürfel abschmelzende Wasser sinkt im klaren Wasser und steigt im dichteren Salzwasser auf. Durch das Absinken spielt die Konvektion eine große Rolle, und die Zeitverschiebung ist sehr groß. Siehe Eis schmilzt langsamer in Salzwasser? und viele Videos, die Farbstoffe verwenden, die leicht zu finden sind.
Doch was passiert in der ersten Sekunde, bevor die Konvektion wirkt? In einer "reinen" Situation, in der es nur Salzwasser ist, das Eis schmilzt, vs. normales Wasser, das Eis schmilzt, was das Eis schneller schmilzt? Mit anderen Worten, was hat von Anfang an die schnellere Momentanschmelzgeschwindigkeit?
Ich und ein Freund haben mehrere Experimente durchgeführt.
In einem 35-Grad-Kühlschrank ist die gesamte Schmelzgeschichte umgekehrt. Dies ist zu erwarten, da das Schmelzwasser jetzt auf klarem Wasser (und auf Salzwasser) schwimmt und so oben bleibt. Aber warum genau schmilzt das Salzwasser den Würfel viel schneller als das Süßwasser? Dies scheint darauf hinzudeuten, dass Salz in der reinen Situation schneller ist.
Bei Raumtemperatur, unter regelmäßigem Rühren des Wassers, schmelzen die Würfel gleichzeitig. Dies ist verwirrend und scheinbar im Widerspruch zu (1).
Wir haben mehrere mögliche Erklärungen gesehen, aber zu diesem Zeitpunkt kennen wir die wahre Geschichte nicht. Es gibt wahrscheinlich mehrere Effekte, aber gibt es einen dominanten Effekt, der das Schmelzen im "reinen" Fall antreibt?
Bearbeitet, um auf den Kommentar von Sam Gerbil zu antworten:
Klassischer Fall: Raumtemperatur. Das Schmelzwasser schwimmt in Salzlösung; Kochsalzlösung ist also um einiges langsamer (verliert).
Im Kühlschrank: Schmelzwasser schwimmt in beiden Fällen. Aber Kochsalzlösung gewinnt um Längen. Nicht klar warum. Vielleicht, weil die Anstiegsgeschwindigkeit des Schmelzwassers aufgrund unterschiedlicher Dichte unterschiedlich ist. Oder vielleicht schmilzt Kochsalzlösung Eis aufgrund der Gefrierpunktserniedrigung schneller (aber mir ist nicht klar, warum genau dies die Gesamtenergieübertragung beeinflusst).
Im Kühlschrank, mit Eis, das auf den Boden des Behälters gedrückt wird. Mein Versuch schlug fehl. Jim hat gerade ein Experiment mit im Eis eingefrorenen Nägeln beendet. Das hat sehr gut funktioniert und wieder ist Salz ein großer Gewinner.
Rühren: Jim hat es bei Raumtemperatur versucht und gibt an, dass die Schmelzraten gleich sind. Das ist ein bisschen mysteriös, da es dem Rührexperiment widerspricht. Vielleicht entfernt das Rühren den Wiedereinfriereffekt.
Eine vorgeschlagene Antwort: Ich bin immer davon ausgegangen, dass beim Schmelzen des Eises in Salzwasser die gelösten Natrium- und Chlorionen die Stärke der H-Bindungen zwischen Wassermolekülen beeinträchtigen und der Prozess nur zu einem außer Kontrolle geratenen Zug wird. Ich liebe die Idee, es in einem Kühlschrank zu machen, um die Konvektion zu beseitigen.
Eine Schwierigkeit besteht darin, dass die Konvektion nie vollständig eliminiert wird, sodass es schwierig ist, sicher zu sein, dass das Salz das Eis auf natürliche Weise schneller schmilzt. Aber im Moment sieht es so aus. Die beiden vorgeschlagenen Lösungen sind: Das Wiedereinfrieren, das in klarem Wasser auftritt, verlangsamt den Prozess; die H-Brücken schwächen b/c von Natrium- und Chlorionen.
Wir haben weitere Experimente durchgeführt und zu unserer Überraschung scheint es, dass Salzwasser und normales Wasser Eis im Wesentlichen mit der gleichen Geschwindigkeit schmelzen, wenn der Effekt der Konvektion eliminiert wird. Jim Tilley führte zwei Experimente durch: (1) die klassische Situation bei Raumtemperatur, aber das Wasser alle 30 Sekunden mit einem Löffel umrühren; (2) immer noch bei Raumtemperatur, aber unter Verwendung eines Drahtgitters, um die Würfel in der Mitte des Glases zu platzieren. In (2) wird das Schmelzwasser entweder vom Würfel abfallen oder aufsteigen. In beiden Fällen lagen die Schmelzgeschwindigkeiten innerhalb des Versuchsfehlers sehr nahe beieinander. Ein weiterer interessanter Kontext ist das klassische Experiment in einem Kühlschrank. Dann steigt das Schmelzwasser sowohl im Klarwasser als auch in der Salzlösung auf. Aber es gibt kein Wiedereinfrieren in der Kochsalzlösung. In diesem Fall schmolz das Salzwasser das Eis in 4 Stunden, aber normales Wasser brauchte mehr als 10 Stunden; vielleicht 11 Stunden.
Zurück zum Kühlschrankgehäuse. Bei normalem Wasser tritt an der Grenzfläche ein gewisses Wiedereinfrieren auf. Das passiert im Salzwasser wegen des niedrigeren Gefrierpunkts nicht. Das zusätzliche Eis braucht Zeit zum Schmelzen, und wir glauben, dass dies der Grund für den großen Unterschied in den Schmelzzeiten ist, wenn das Umgebungswasser knapp unter 2 Grad C (35 F) liegt.
Was würde in 0 Schwerkraft passieren? Das Schmelzwasser würde um den Eiswürfel hängen und es könnte zu einem erneuten Gefrieren kommen, wenn auch nicht viel wegen des Wassers mit Raumtemperatur. Möglicherweise würde also Salz in diesem Fall gewinnen. Aber wirklich ist es nicht klar. Gibt es ein erdgebundenes Experiment, das auf die Geschichte der Schwerelosigkeit hinweisen würde? Nicht sicher.
Beim 35-Grad-Test sind die Konvektionsströme in beiden Fällen geringer als bei Raumtemperatur, bei reinem Wasser aber immer noch größer. Der absolute Unterschied mag nicht so groß sein, aber der proportionale Unterschied ist immer noch signifikant. Das ist noch die Erklärung. Es wäre sogar bei 33 Grad wahr, denn selbst ein wenig Konvektion hilft, und in Salzwasser wird es weniger (insbesondere proportional wie gerade erwähnt) geben. Ich glaube nicht, dass eine der beiden genannten Lösungen eine Wirkung haben wird. Es gibt kein erneutes Einfrieren; Die Temperatur für eine gewisse Distanz in die Oberfläche ist am Schmelzpunkt, da die Wärmeübertragung für eine kurze Zeit am Schmelzpunkt stattfinden muss, um den Phasenübergang zwischen fest beim Gefrieren und flüssig beim Gefrieren zu ermöglichen. Und das, was geschmolzen wird , ist in beiden Fällen dasselbe, also sind die Eigenschaften auch.
Mit dem Rühren haben Sie diesen Faktor jedoch wirklich beseitigt. Sie sollten also fast genau gleich sein, abhängig fast ausschließlich von Ihrer Fähigkeit, eine äquivalente Mischung bereitzustellen. Die Viskosität und Dichte (daher auch kinematische Viskosität) von Salzwasser kommt der von Wasser recht nahe.
Schließlich gibt es noch eine andere Möglichkeit, Konvektionsunterschiede zwischen den Gehäusen zu eliminieren. Das soll die Konvektion eliminieren. Wenn Sie ein Objekt hätten, das nicht schmilzt und dessen Temperatur in sehr ruhigem Wasser und in Salzwasser genau gemessen wird, würden die Ergebnisse im Grunde zurückkehren. Ein gutes Objekt wäre das Thermoelement selbst, aber alles, wo die Temperatur über die Zeit sehr genau tabelliert werden könnte. In diesem Fall würden die Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten eine Rolle spielen. Und Salzwasser leitet Wärme nicht so gut wie normales Wasser. (Anmerkung: Ich sage nicht, dass dies bei den bisher durchgeführten Experimenten eine große Rolle spielt; das war es nicht. Die Konvektion dominiert die Leitung selbst bei extrem niedrigen Strömungen.)
Ein Teil der Begründung für das Hinzufügen dieser letzten Situation war Ihr Denken in der ersten Sekunde. Aufgrund des geringeren Wärmeleitkoeffizienten sind die Temperaturgradienten im Salzwasser bei gleicher Wärmeübertragung größer und damit weniger effektiv. Es scheint vernünftig, sich vorzustellen, dass sogar der erste Moment (wenn auch weniger als eine Sekunde) für normales Wasser schneller wäre.
Und der Unterschied ist nicht gering, % schlechtere Wärmeleitung aufgrund des Salzes: https://thermtest.com/application/thermal-conductivity-of-salty-water-mixtures
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