Condensación de agua. Controversia de aula

Question

En nuestra prueba había una pregunta que decía así:

Pregunta 4 tiene un vaso de agua helada en un sin sombrear mesa de picnic y fuimos a dar un paseo de 30 minutos. Cuando vuelva usted notado el vaso de agua en el exterior de la misma.

una. En términos de la transferencia de calor de explicar lo que ha sucedido con el vaso de agua.

La mayoría de la clase entendida esta pregunta y la respondió correctamente.

b. Habría sido más o menos agua en el exterior de la copa si la mesa de picnic estaba en la sombra? Explique.

Esta pregunta causó una gran controversia con la mayoría de los estudiantes (incluido yo mismo) la creencia de que la sombra habría causado más de agua en el exterior. Mientras que el profesor y algunos alumnos pensaban que el sol hubiera causado más de agua en el exterior.

El razonamiento de que el maestro no resultó muy convincente y así hemos llegado a este foro a preguntar ¿cuál es la respuesta correcta a la parte b y la mayoría de todo, ¿por QUÉ?

Estamos de 16 a 17 años de edad, si usted necesita saber el nivel de la explicación.

Answer 1

Obviamente es el vapor de agua en el aire que se condensa sobre la superficie del vidrio, y el hielo en el interior del vaso jugado el papel de mantener la superficie del cristal a una cierta temperatura. Ahora voy a simplificar el problema a su esencialidad.

No sé de qué material el vidrio había, pero decir que fue hecho con un material altamente conductor, por lo que podemos asumir que la temperatura es uniforme en todo el cristal (exterior) de la superficie. También, ya que es el hielo dentro del vaso, es razonable suponer que la temperatura en el interior del vaso es constante en el tiempo, con flujo de calor (del ambiente de vidrio) ajuste de sí mismo para mantener esta temperatura. También vamos a suponer que el estado estacionario se ha alcanzado. También vamos a suponer que el vidrio está cerrado en su parte superior, aunque esto no es un grave asunción y puede ser relajado. Vamos a descuidar efecto de los vientos y la consiguiente evaporación. Vamos a suponer que la presión del vapor de agua en el aire se mantiene constante.

Así que aquí está la simplificación del problema: dados dos cerrada hueco objetos, ambos llenos de hielo, de manera que la temperatura en el interior de la pared del objeto ($T_{inside}$) es constante, y uno se mantiene en la sombra mientras el otro está en el sol, que tendrá una mayor tasa de formación del condensado (en su superficie exterior) después de estado estacionario se ha alcanzado?

Flujo de calor al vidrio en la sombra es $Q_{shade}$, y que para el vidrio en el sol es$Q_{sun}$,$Q_{shade}<Q_{sun}$. Deje $T_{shade}$ $T_{sun}$ ser la temperatura de la superficie exterior del vidrio en la sombra y el sol, respectivamente; ambos deben por supuesto ser superior a la $T_{inside}$. Entonces a partir de la $Q_{shade}<Q_{sun}$ debemos tener $T_{shade}<T_{sun}$ (¿por qué? sugerencia: la transferencia de calor a través de la pared depende de la diferencia de temperatura a través de la pared). Una mayor tasa de formación del condensado se produce en la superficie más fría, y es que en la sombra.

P. S. voy a explicar brevemente por qué la condensación de la tasa debe ser mayor para una superficie más fría. La condensación de vapor de agua sobre una superficie es un resultado del hecho de que más número de moléculas de agua están siendo depositados en la superficie de aire, que se pierde en el aire. La velocidad a la que la deposición se lleva a cabo depende de la presión del vapor de agua en el aire, que hemos asumido para ser constante y por lo tanto es el mismo para ambos vasos. Sin embargo, la tasa a la que las moléculas de agua se depositan en el vaso se pierde en el aire depende de la temperatura de la superficie, y menor sea la temperatura, menor es el presente de las salidas netas de flujo (ver aquí).

Answer 2

Lo mejor para su clase para hacerlo sería la de hacer un experimento. Usted puede pensar acerca de la mejor manera de hacer esto, pero un par de sugerencias:

• El uso de varios vasos de agua. Por ejemplo, poner cinco vasos en el sol y cinco en la sombra.
• Hacer sus mediciones en las gafas de sol y gafas en la sombra al mismo tiempo.

También podemos intentar predecir el resultado con una áspera discusión. En mi argumento, puedo hacer la simplificación de que al final de los 30 minutos de hielo a la izquierda en el vaso. Esta es una útil simplificación, ya que significa que el agua en las gafas se mantienen a una temperatura constante durante todo el experimento. También puedo imaginar un poco más precisa descripción de el experimento. Voy a decir que tenemos una mesa de picnic en el sol y un paraguas que cubre la mitad de la tabla en la sombra.

Entonces, podemos pensar acerca de lo que las variables que controlan la velocidad a la que se forma condensación en el cristal. Algunos de los candidatos son:

• La temperatura del aire circundante
• La temperatura del agua en el vaso
• La humedad del aire circundante

Se puede observar que la temperatura del agua en el cristal es el mismo en ambos casos, ya que ambos tienen hielo en ellos. La humedad no difieren mucho entre sol y sombra. Esto es porque las moléculas de agua en el aire se mueve al azar, y esto hace que ellos tienden a distribuir a sí mismos de manera uniforme. De hecho, la temperatura del aire a la sombra y sol también son iguales. El azar de las colisiones en el aire tiende a suavizar la distribución de calor en el aire. Ya hemos elegido nuestros dos vasos al estar cerca el uno del otro (en la misma mesa de picnic), la temperatura y humedad del aire será prácticamente el mismo en los dos casos.

Vemos que las tres variables que controlan la tasa de formación de condensación son iguales en los dos casos. Por lo tanto yo podría predecir que en el experimento no sería capaz de notar una diferencia significativa en la cantidad de condensación en la sombra y sin sombra de las gafas.

Answer 3

Considerar la posibilidad de que no hay ninguna respuesta "correcta".

Tal vez el objetivo de la pregunta era solo para reflexionar y discutir acerca de una físicamente situación interesante.

La condensación dependerá de, al menos, los siguientes factores

• La humedad del aire
• La temperatura del aire
• La circulación de aire
• La temperatura del agua

Es posible que la luz directa del sol afectan a todos estos factores y los efectos de la condensación se trabajo en diferentes direcciones. Cuál es el efecto dominante puede depender de varios factores no especificados en la pregunta. Incluso si no hay una respuesta "correcta" en la mayoría de situaciones, puede no ser posible para concluir con seguridad esta basada en una sencilla física argumento.

Answer 4

La respuesta está relacionada con la primera pregunta.

Cuando el hielo se mantiene en el vaso va a absorber el calor de los vapores de agua que están presentes en la atmósfera a su alrededor.

De manera que el agua de los condensadores a su alrededor.

Ahora la diferencia se mantiene en la sombra y el sol y se que si se mantiene en el sol, el hielo se va a absorber el calor de los rayos del Sol que cae sobre el hielo. Se Avalon más cantidad de calor del sol que a través de los vapores de agua y de la atmósfera.

Mientras, en la sombra como los rayos del sol no son la caída de más calor se absorbe de la atmósfera.

Así, en la sombra más agua se consigue condensada alrededor de vidrio que en el sol porque en el sol, el hielo tiene una mejor o de otra fuente para absorber el calor.

De manera que el agua va a ser más en la sombra.

Answer 5

Usted verá que su hipótesis sobre el experimento puede hacer una diferencia. Al final, te doy un giro que puede hacer toda la diferencia:

Supuestos

Vamos a hacer algunos supuestos simplificadores, y explicar por qué lo estas suposiciones de sentido:

En primer lugar vamos a abordar las condiciones macroscópicas. Por esto, me refiero a las condiciones que existen uniformemente a lo largo de la mayoría del espacio en el que este experimento se lleva a cabo:

1. Sobre el vaso de agua helada, supongamos que contiene hielo para la duración del experimento. (La razón es que al parecer, esto es un dado - tienes un vaso de agua helada.)

2. También podemos suponer que el vaso de helado de agua está a una temperatura constante durante la duración del experimento. La razón es que a medida que el hielo se derrite, se absorbe calor sin cambio de temperatura. Esto es lo que ocurre cuando un material se somete a un cambio de fase. (de sólido a líquido o de líquido a gas, por ejemplo). Así, con el primer supuesto (siempre hay hielo presente), entonces la temperatura se mantendrá constante. (Transición de la fase de Agua)

3. Para el experimento en el sol y el experimento en la sombra, todas las demás condiciones son idénticas. (Podríamos asumir un espacio abierto, ya que el vidrio es en una mesa de picnic.) Así, por ejemplo, la temperatura del aire (ver más abajo) y la presión son idénticos. Si hace viento, entonces esto es el mismo en ambos casos. (Vamos a suponer que no es ventoso, pero se puede ir más lejos y preguntarse cómo sería alterar la conclusión de que, si lo hace.)

4. La temperatura del aire es la misma en la sombra como al sol. Sé lo que estás pensando, pero usted tiene que entender que la temperatura del aire es una medida de la energía cinética de las moléculas en el aire. (¿Por qué Oficial de las Temperaturas Siempre son Medidos en la Sombra) Puesto que las moléculas son en realidad viajan muy rápido (a la velocidad del sonido, en promedio), no toma mucho tiempo para ellos para moverse entre una zona con sombra y sin sombra de área. (Si usted duda de esto, piense en cómo rápidamente un olor puede viajar, incluso en "todavía" de aire. Si todavía no estás seguro, hacer un experimento con algo que fácilmente se puede oler.)

5. El nivel de humedad es la misma en la sombra como al sol. Esto es lo mismo que decir que para un volumen dado de aire, la fracción de moléculas que son las moléculas de agua es constante, independientemente de si están en la sombra. La humedad depende de la temperatura del aire y la energía cinética de las moléculas de aire para mantener el agua de condensación. También, las moléculas de agua en el aire viajan a velocidades similares a todas las demás moléculas de aire.

Ahora, echemos un vistazo a algunos microscópicos condiciones, específicamente en la superficie de los cristales:

1. (Convección) la transferencia de calor se producen en la superficie del vidrio.

   • Las moléculas de aire, incluyendo el agua evaporada (la humedad) se pierde energía cuando se encuentran con la superficie fría del vidrio. Esto se llama transferencia de calor por convección (convección), que es la transferencia de energía cinética del gas para el frío cristal. Suficiente las moléculas de agua pueden perder energía para llegar al punto de condensación, lo que produce el agua en el lado de la copa. (Otros tipos de moléculas en el aire no va a condensar tan fácilmente en las temperaturas que estamos hablando aquí.)

   • Las moléculas de agua en el lado de la copa la va a ganar energía cuando son afectados por el rápido movimiento de las moléculas de aire. Esto puede ser suficiente para causar la evaporación.

Este es un proceso continuo, pero obviamente, si usted ve la condensación ocurre, entonces la tasa de condensación debe ser mayor que la tasa de evaporación!

2. La radiación transferencia de calor se producen en la superficie del vidrio. La radiación del sol que incide sobre un termómetro calienta el termómetro. Como se explicó anteriormente, esta es la razón por la que medimos la temperatura del aire en la sombra. También puede transferir el calor suficiente para causar algunas de las moléculas de agua en el lado de un vaso para que se evapore. Esto sería además de la evaporación debido a la convección.

Conclusión

Hemos asumido que aparte del sol/sombra diferencia, todas las condiciones son iguales entre los dos experimentos:

• El vidrio se mantenga una temperatura constante, por lo tanto no es de hielo, debido a que el calor agregado del medio ambiente sólo va a cambiar el hielo de sólido a líquido.

• Los efectos de la temperatura del aire ha sido explicado como un ser igual, porque la temperatura del aire es una medida de la cinética del movimiento de las moléculas de aire, y todas las moléculas se mueven libremente y rápidamente entre la sombra y el sol.

• Las condiciones en la superficie del vidrio puede resultar en cambios de fase. Esto puede causar la condensación y la evaporación, todo al mismo tiempo. La transferencia de energía de los mecanismos de control de los resultados netos.

• El experimento realizado en la luz del sol tiene una fuente de energía adicional que influyen en la evaporación y condensación del proceso. La radiación puede aumentar la evaporación.

Tenemos que concluir que la red de evaporación vs condensación difiere entre los dos experimentos, y habrá menos agua en el lado de la copa cuando el experimento se realiza en la luz del sol.

Ahora si esto será una notable cantidad es un asunto diferente. Pero bajo las condiciones experimentales de este se puede medir con precisión.

Ahora Quitar Una Suposición

Yo no lo pondría por delante de mi escuela secundaria profesor de física para hacer algo como esto, pero vamos a suponer que el "agua helada" no se ha alcanzado el equilibrio cuando el experimento se inicia. Que significa que a medida que el hielo se derrite, la libertad de agua líquida será en una temperatura más fría que el resto del líquido.

Lo que esto significa es que algo de la energía de calor desde el agua debe ir para el calentamiento de esta liberado de agua.

A la sombra de un experimento, esperamos que el hielo a tardar más tiempo en derretirse. (Menos de energía radiante en el cristal!).

La transferencia de calor entre el aire y el vidrio será a una tasa que es proporcional a su diferencia de temperatura (todo lo demás siendo igual). Esto resultará en menos de condensación (y más evaporación), mientras que el cristal está a una temperatura por encima de equilibrio.

Es de esperar que el vidrio en el soleado experimento para alcanzar el equilibrio antes de la una a la sombra de un experimento.

Ahora que usted tiene un caso donde la evaporación de la radiación puede ser compensado por esto el equilibrio térmico del proceso de la agua helada.

Si se va a integrar la red de condensación sobre los 30 minutos del experimento, se observa que las superficies de vidrio podría producir más de condensación.