Was wie eine dumme Frage erscheint, hat tatsächlich eine gewisse Tiefe. Ich versuchte, etwas von meinem Lieblings-Soft-Markeneis herauszuschöpfen, als ich bemerkte, dass es fest gefroren war und nicht seine übliche cremige Konsistenz. Nachdem ich es 10 Minuten stehen gelassen hatte, war es wieder schön cremig.
Bemerkenswerterweise war diese Zeit nicht lang genug, um zu "schmelzen", da es immer noch nicht fließen würde, wenn der Behälter auf den Kopf gestellt würde, gerade lange genug, um "erweicht" zu werden. Warum wird Eiscreme beim Abkühlen steifer/härter und beim leichten Erwärmen weicher?
Meine Hypothese:
Ich denke, die "Härte" des Eises wird weitgehend von den Eigenschaften der darin enthaltenen Eiskristalle bestimmt, die sich irgendwie mit der Temperatur ändern. Obwohl ich nicht weiß, wie sie sich ändern, bin ich mir ziemlich sicher, wie sie es nicht tun .
Sie können die Temperatur des Eises als unendlich viele konzentrische Schichten betrachten, von einer Schicht mit maximaler Temperatur an der Außenseite des Eises, wenn sich das Eis von außen nach innen erwärmt, bis zum Punkt der minimalen Temperatur ungefähr in der Mitte des Eises Eis. Daher ist davon auszugehen, dass ein teilweises Schmelzen und damit eine Abnahme der Größe jedes Eiskristalls unwahrscheinlich ist, da dies ein sehr dickes „Band“ von Eiscremeschichten erfordern würde, um eine Übergangstemperatur zwischen vollständig kristallin und vollständig geschmolzen zu haben, was würde nur bei sehr langsamer Abkühlung wahrscheinlich.
Vor ein paar Jahrzehnten war ich am Rande an einigen Forschungen zu den Eigenschaften von Eiscreme beteiligt, die von der Firma Walls in Großbritannien durchgeführt wurden . Die Arbeit bestand darin, die Konsistenz der Eiscreme mit der Mikrostruktur in Beziehung zu setzen, also war sie ziemlich eng mit Ihrer Frage verbunden.
Jedenfalls hat Speiseeis eine überraschend komplizierte Mikrostruktur. Es enthält Eiskristalle, flüssige Zuckerlösung, Fettkügelchen und Luftbläschen (deren Anteile sich je nach Art und Qualität des Eises ändern). Bei Temperaturen von null bis hinunter zu typischen Haushalts-Gefriertemperaturen wird es nicht fest gefroren, da der Zucker den Gefrierpunkt von Wasser senkt und die konzentrierte Zuckerlösung flüssig bleibt.
Die Menge der vorhandenen flüssigen Phase nimmt mit sinkender Temperatur ab. Wenn Sie sich vorstellen, bei Null C zu beginnen, dann bilden sich beim Senken der Temperatur Eiskristalle, die Wasser aus der flüssigen Phase ziehen und die Zuckerkonzentration in der flüssigen Phase erhöhen. Dies senkt den Gefrierpunkt, bis er der Gefriertemperatur entspricht, an welchem Punkt das System im Gleichgewicht ist. Senken Sie die Temperatur weiter und dies bildet mehr Eiskristalle, erhöht die Zuckerkonzentration noch weiter und erniedrigt den Gefrierpunkt der flüssigen Phase noch weiter. Usw. Die flüssige Phase verschwindet nicht vollständig, bis Sie sehr, sehr niedrige Temperaturen erreichen, an denen die verbleibende Zuckerlösung als Glas gefriert.
Es ist diese Veränderung in der Menge der vorhandenen flüssigen Phase, die die Veränderungen verursacht, die Sie beobachtet haben. Wenn Sie die anfänglich sehr kalte Eiscreme erwärmen, schmelzen Sie einige der Eiskristalle und erhalten eine flüssigere Phase, außerdem nimmt die Viskosität der flüssigen Phase ab, wenn sie verdünnter wird. Beide machen das Eis weicher.
Ich sollte betonen, dass dies eine sehr vereinfachte Darstellung eines sehr komplizierten rheologischen Verhaltens ist, aber es sollte Ihnen eine grundlegende Vorstellung davon geben, was vor sich geht. Die Details sind endlos faszinierend, wenn Sie ein Kolloidwissenschaftler sind (oder einfach wie Eiscreme). Zum Beispiel vergiftet Zucker die Oberfläche der Eiskristalle und verändert ihre Morphologie. In Eiscreme sind die Kristalle eher abgerundete Kleckse als die gezackten Kristalle, die Eis normalerweise bildet. Dies wirkt sich auch auf die Rheologie aus, da die abgerundeten Kristalle leichter übereinander fließen.
Dies wird in der Chemie besser beantwortet als in der Physik. (Außerdem denke ich, dass dies geschieht, basierend auf dem, was ich letztes Jahr bei den Chem-Ehrungen gelernt habe.) Warum wird Wasser zu Eis, wenn man es einfriert? Sie haben beide das gleiche Prinzip: Sie verlieren Energie, wenn sie abkühlt.
Wenn Wasser oder Eiscreme in flüssiger Form vorliegt, haben ihre Moleküle mehr Energie, sodass sie sich leichter bewegen (eher vibrieren) können. Wenn die Flüssigkeit gefroren wird, wird Energie freigesetzt und die Moleküle bewegen sich langsamer (bewegen sich aber immer noch; sie hören bei 0 K vollständig auf, sich zu bewegen). Wenn sie langsamer sind, können sie schwache Bindungen zwischen anderen Molekülen bilden, die leicht mit einem Eisportionierer oder etwas Hitze aufgebrochen würden.
Speziell bei Eiscreme denke ich, dass zwischen Molekülen viel weniger schwache Bindungen gebildet werden und sie sich mehr bewegen, sodass Sie nicht so viel Energie benötigen, um die Bindungen zu brechen, aber es sind immer noch genügend Bindungen vorhanden, um dies zu verhindern eine Flüssigkeit. Was das steinharte Eis betrifft, so sind es nur mehr schwache Bindungen, also brauchen Sie mehr Energie, um sie zu brechen.
Chris
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