Warum wird Wasser deutlich kälter, wenn es durch die Luft fällt?

Ich denke, wir alle haben diesen Effekt schon einmal erlebt. Sie schalten die Dusche ein und der Wasserstrahl am Duschkopf ist etwas heißer als das Wasser am unteren Rand des Strahls. Wenn Sie alternativ Wasser aus der Badewanne spritzen (ich bin ein Kind, weiß ich), fühlt sich das Wasser kalt an, wenn Sie es berühren, bevor es wieder in der Badewanne landet.

Ich möchte sicher wissen, warum das so ist.

Die offensichtliche Antwort scheint ein einfacher thermodynamischer Wärmeaustausch zu sein, aber ich möchte auf einige Dinge hinweisen, warum ich denke, dass dies nicht die ganze Geschichte ist (obwohl jemand anders argumentieren kann):

  • Die Zeit, die ein Wassertropfen braucht, um vom Kopf einer Dusche auf den Boden zu fallen, ist wirklich ziemlich kurz.
  • Angesichts der kurzen Fallzeit glaube ich nicht, dass der Wärmeaustausch schnell genug erfolgen wird, um die ziemlich große Temperaturänderung zu erklären.
  • Angesichts der Tatsache, dass Wasser eine große Wärmekapazität hat, denke ich, dass hier etwas anderes im Spiel sein muss, um genügend Energie bereitzustellen.
  • Die Temperatur eines Raums mit einer laufenden heißen Dusche unterscheidet sich nicht sehr von der Temperatur des Wassers selbst.
  • Es scheint (und das ist unmöglich zu wissen, ohne irgendwie die Temperatur zu messen), dass die Temperatur des fallenden Wassers am Grund des Baches manchmal kälter ist als die Umgebungsluft (stellen Sie sich vor, wir verlängern den Bach bis zum Grund eines Wasserfalls, dann scheint das sicherlich wahr sein).

Mein Gedanke für den Hauptbeitrag zur Temperaturänderung und eine Erklärung dafür, wie das Wasser das thermodynamische Gleichgewicht sogar überschreiten könnte, ist, dass das Wassertröpfchen / der Wasserstrahl eine ziemlich große Arbeit an der Atmosphäre leisten muss, bevor es den Boden erreicht. Ich weiß jedoch nicht, wie ich dies mathematisch modellieren soll, und würde gerne eine allgemeine Vorstellung davon bekommen, wie viel Arbeit in dieser Situation geleistet wird.

Eine andere interessante Sache, über die man nachdenken sollte, und ich bin ziemlich widersprüchlich, ist, ob man erwarten könnte, dass die Temperatur eines Wassertropfens ansteigt, wenn es an Geschwindigkeit gewinnt. Angenommen, das Wasser würde in ein Vakuum fallen und seine Tröpfchenbildung beibehalten, würde die Temperatur des Tröpfchens steigen? Es scheint mir, dass es so wäre, obwohl die Seite des Gravitationspotentials in diesem Gedanken beunruhigend ist. Ist dieser Effekt jedoch groß genug, um für diese Frage relevant zu sein?

Also um die Frage zu verallgemeinern:

Was ist ein gutes mathematisches und thermodynamisches Modell zur Erklärung der Temperaturänderung von fallendem Wasser? Insbesondere, was ist der größte Beitrag, Wärmeaustausch oder Energieverlust aufgrund der Verdrängung der Atmosphäre? Erhöht der Gewinn an kinetischer Energie des Wassertröpfchens (auf nicht-nettoartige Weise) auch die Temperatur des Tröpfchens als Ganzes? Außerdem würden all diese Erklärungen, von denen ich annehme, dazu führen, wie hoch die Endtemperatur eines Wassertropfens sein könnte, nachdem er eine gewisse Distanz gefallen ist, also wäre es auch cool, eine Vorstellung davon zu bekommen, wie viel Temperaturänderung es gibt.

Deinem letzten Punkt auf der Liste würde ich eher widersprechen. Hoffe aber auf ein paar gute Antworten. +1 für den Gedanken. :)
Sicherlich ist die Verdunstungskühlung ein wichtiger Faktor.
Ich würde erwarten, dass DER Hauptfaktor die Menge an Wasser ist, die auf Ihre Hand fällt. In der Nähe des Duschkopfs fällt mehr Wasser auf Ihre Hand als in Bodennähe. Das bedeutet, dass Ihre Hand eine größere Energiemenge verteilen muss und sich daher lokal stärker erwärmt, was Sie spüren.

Antworten (2)

Erstens wäre es besser, tatsächliche, genau gemessene Zahlen als die menschliche „Erfahrung“ zu verwenden: Der menschliche Körper ist ein schlechtes Thermometer, und der Verstand spielt uns einen Streich.

Dass heiße Wassertröpfchen aber Wärme verlieren und sich dadurch in kühlerer Luft abkühlen, ist eine Tatsache und eine Folge der Gesetze der Thermodynamik.

In Bezug auf Ihre drei ersten Aufzählungspunkte bedeuten diese trotz einiger Einschränkungen, auf die Sie hinweisen, nicht, dass ein heißes Wassertröpfchen an der Luft nicht abkühlt: Dies tut es und entspricht teilweise dem Newtonschen Abkühlungsgesetz .

In Bezug auf die vom Tröpfchen geleistete Arbeit (Überwindung des viskosen Widerstands) würde dies, wenn überhaupt, zu einer Wärmeerzeugung führen, nicht zu einer Kühlung (aber der Effekt ist wirklich winzig).

Kinetische oder potentielle Energie des Tröpfchens haben keinen Einfluss auf die Temperatur des Tröpfchens. Die Temperatur ist einfach ein Maß für die durchschnittliche Geschwindigkeit der Wassermoleküle und wird von diesen Energien nicht beeinflusst. Das Schleudern von Wasser in einer Ultrazentrifuge führt beispielsweise nicht zu einem Temperaturanstieg.

Sie haben jedoch eine Hauptursache für Wärmeverluste übersehen: Verdunstung . Ihre Dusche „bedampft“, weil heißes Wasser verdunstet, und das kostet Energie, bekannt als Verdampfungsenthalpie .

Millionen Tonnen Wasser werden täglich in Kraftwerken weltweit auf diese Weise gekühlt: Die Kühltürme tropfen heißes Wasser von der Spitze der Türme und Verdunstungswärme kühlt das Wasser ab (das verdunstete Wasser entweicht als Dampfwolke).

Wenn Ihre Dusche schon längere Zeit in Betrieb ist und die Badezimmertemperatur gleich der Wassertemperatur des Duschkopfes ist und die Luft mit Wasserdampf gesättigt ist, dann findet keine Abkühlung des Duschwassers statt.

Ich stimme vollkommen zu, dass die Verdunstung einen großen Beitrag leisten muss, aber ich denke, es ist unbestreitbar, dass das Wasser Arbeit an der Atmosphäre leisten muss, um es zu passieren. Es scheint nur so, als würde diese Energie durch Absenken der Temperatur dissipiert werden. Und ja, ich stimme zu, dass die Verwendung tatsächlicher Daten viel besser wäre. Ich hätte besonders gerne ein Experiment, um zu testen, ob die Arbeit, die das Wasser an der Atmosphäre verrichtet, seine Temperatur ändert. Irgendwelche Vorschläge dazu?
@jheindel: hallo. Wenn überhaupt, erzeugen Widerstandskräfte (dh Reibung) Wärme, reiben Sie einfach Ihre Hände aneinander. Reibung hat hier jedoch vernachlässigbare Auswirkungen: Die verrichtete Arbeit ist meist eine Erhöhung der kinetischen Energie der Luft im Nachlauf des Tropfens (turbulente Strömung). Um die Temperatur des Wassers zu messen, verwenden Sie einen Styroporbecher (füllen Sie ihn mehrmals auf und leeren Sie ihn, damit der Becher die gleiche Temperatur wie das Wasser hat) und ein anständiges Thermoelement-Thermometer für den Haushalt. Wiederholen Sie alle Messungen einige Male (notieren Sie alle Messwerte) und vergleichen Sie dann die oberen und unteren Wassertemperaturen. Hoffe das hilft.
@jheindel: Ich werde morgen die Arbeit eines Tröpfchens ausrechnen, das durch die Luft wandert.
Ein weiterer Faktor ist, dass es sich um kleine Tröpfchen handelt. Der Temperaturabfall durch Newtonsche Kühlung ist proportional zur Oberfläche und Temperatur, aber umgekehrt proportional zur Masse. Das Verhältnis von Oberfläche zu Masse für ein kugelförmiges Tröpfchen ist 3 / ( ρ R ) , Wo ρ ist Dichte und R Tröpfchenradius ist. Eine Verringerung der Tröpfchengröße erhöht die Newtonsche Kühlung (und auch die Verdunstungskühlung). Bei einigen Duschköpfen können Sie steuern, ob das Wasser ein feiner Nebel oder größere Tropfen ist. Die Wirkung wird stark reduziert, wenn Sie größere Tropfen verwenden.

Obwohl Sie den Wärmeaustausch nicht direkt testen würden, ist hier eine Möglichkeit, zumindest die Verdunstungstheorie zu testen:

Finden Sie einen Weg, um kleine Wassertröpfchen herzustellen, entweder einzeln oder in Gruppen, die so klein sind, dass sie sich nicht gegenseitig stören, und eine Oberfläche, auf der diese Tropfen ruhen können. Stellen Sie sicher, dass Sie die Temperatur des Wasserreservoirs kontrollieren können, aus dem das Wasser kommt, und dass Sie die Wassertemperatur bis zu dem Moment kontrollieren können, in dem sich das Wasser in Tropfen formt.

Erstellen Sie eine temperaturgesteuerte Oberfläche, die einen guten Kontrast zu den Wassertropfen bietet und auf der ein vorab gemessenes Gitter gedruckt wurde, damit Sie es zum Messen der Skala verwenden können. Unter Verwendung von Video, möglicherweise sogar Hochgeschwindigkeitsvideo, könnten Sie dann die Verdunstungsraten für verschiedene Größen von Wassertröpfchen und verschiedene Kombinationen von anfänglicher Tröpfchentemperatur und atmosphärischer Temperatur testen. Wahrscheinlich möchten Sie die Luftfeuchtigkeit in allen Experimenten kontrollieren.

Es wäre ideal, wenn Sie die Tröpfchen tatsächlich einfach in der Luft SUSPENDIEREN könnten, wodurch die Relativbewegung zur Luft als Variable eliminiert wird, obwohl dies unpraktisch sein kann. Es könnte möglich sein, Wassertröpfchen auf einer sehr dünnen Schnur (Zahnseide oder ähnlichem) zu nukleieren, so dass die Kontaktfläche mit einer flachen Oberfläche als eine Variable minimiert wird, die die Verdunstung behindern könnte. Ich habe von extrem starken Elektromagneten gehört, die sogar verwendet wurden, um kleine und ansonsten nicht magnetische Gegenstände wie Erdbeeren und Spinnen zu magnetisieren und schweben zu lassen, ohne diese Gegenstände zu beschädigen, also könnte dies möglicherweise auch ein Mittel sein, wenn dies der Fall ist Ihre Verfügung.

Letztendlich könnte dies ein hervorragendes Experiment für eine Shuttle/ISS-Mission sein. Ich wünschte, ich hätte vor zwanzig Jahren daran gedacht.

Warum wird Wasser deutlich kälter, wenn es durch die Luft fällt?
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 1v