Při jaké teplotě voda mrzne a může zůstat kapalná při teplotách pod nulou

Existuje taková otázka. Například v místnosti je akvárium o objemu 1 m3, naplněné vodou o teplotě 10 stupňů Celsia. V místnosti je vzduch o teplotě 20 stupňů Celsia (udržovaný automaticky baterií). Jak dlouho bude trvat, než teplota v akváriu dosáhne 20 stupňů, tzn. teplota okolí?
Hledal jsem vzorce na internetu, ptal se i ChatGPT, napočítal více než 600 dní.

Upraveno 17.5.23 od Sesdy

2023-05-17 17/05/2023 09:22:39
#3084523
2559 2459
Jekatěrinburg
5 hodin.

Jako předpoklad bych pro hrubý odhad použil vzorec:

Výpočet doby ohřevu vody na základě výkonu ohřívače kW.

Výpočet se provádí pomocí vzorce T = 0.00117 * V * (Tk-Tn)/P.
Kde:
T – čas;
V – objem kapacity, l;
Tk je konečná teplota vody;
Tn – počáteční teplota vody;
P – výkon, kW.

Výkon 1 sekce topného radiátoru je 0,1 kW. Řekněme, že máte 5 sekcí – dostaneme 0,5 kW.

Pro akvárium o objemu 1000 litrů dostaneme 23,4 hodiny.

Vzhledem k tomu, že ohřev nepochází přímo z baterie, ale vzduchem, je třeba vzít v úvahu tepelnou vodivost vzduchu.

Který součinitel vzduchu při T=20 stupňů je 0,0259. Ukazuje se, že T=23.4/0.0259=903 hodin nebo 38 dní.

Přijde mi to nějak nereálné. Představoval jsem si, že se to za den ohřeje.

I když, zde je vzorec pro výpočet doby ohřevu vody v bazénu.

t = 1.16 * V * T / P,
kde t je požadovaný čas v hodinách, V je objem bazénové vody v metrech krychlových, T je požadovaný rozdíl teplot ve stupních, P je deklarovaný výkon.

Totéž se děje s ní.

Upraveno 17.5.23 Sergejem PAT_A

2023-05-17 17/05/2023 09:39:09
#3084526

Je to jasné, stále můžete tančit ze síly topení. Tento vzorec jsem již našel, ale IMHO je trochu jiný.

A pokud si představíte, že místnost není vůbec vytápěná, je to jen tak, že venkovní teplota je 20 stupňů a okno je otevřené a ani to (okolní teplota) se nemění. Chtěl jsem najít vzorec pro přirozené vytápění, bez odkazu na ohřívač.

Pokud do sklenice nalijete 200 ml vody o teplotě 5 stupňů a necháte 30 minut v místnosti o teplotě 20 stupňů, pak s největší pravděpodobností po těchto 30 minutách bude sklenice obsahovat vodu o teplotě stejné 20 stupňů.

2023-05-17 17/05/2023 09:55:37
#3084530
2559 2459
Jekatěrinburg
5 hodin.

Tady na fóru o koupališti se jeden člověk ptal, jak dlouho by trvalo vyhřátí bazénu na chatě, kdyby nebylo topení. Zde je to, co odpověděli:

Mám kruhový rámový bazén d=6m (30 kubíků). Když jsem navrhoval rozvoj lokality, zajistil jsem kanalizační studnu v oblasti, kde bude postavena budoucí lázeň a bude instalován bazén. Bazén napouštím vodou přímo ze studny (t=9-10 stupňů). Naplní se do 12 hodin (od 8:8 do 18:3). Za slunečného dne je k večeru prvního dne už asi 22 stupňů. Třetí den je již 23-XNUMX.

Řekněme, že je venku 28 stupňů za slunečného dne. Rychlost ohřevu v akváriu je 1 metr krychlový. bude srovnatelná +/- 1-2 dny.

2023-05-17 17/05/2023 10:02:24
#3084531
4771 2090
Moskva
26 dne

U vody je hlavním způsobem přenosu tepla konvekce, tepelná vodivost vody saje.
potřebujete čerpadlo, cirkulaci – pak se vše rychle zahřeje

2023-05-17 17/05/2023 10:11:53
#3084536
2559 2459
Jekatěrinburg
5 hodin.

Sesda
Pokud do sklenice nalijete 200 ml vody o teplotě 5 stupňů a necháte 30 minut v místnosti o teplotě 20 stupňů, pak s největší pravděpodobností po těchto 30 minutách bude sklenice obsahovat vodu o teplotě stejné 20 stupňů.

Neznám vzorec. Intuitivně cítím, že doba ohřevu závisí na poměru tepla v místnosti (počítáme objem místnosti a množství tepelné energie na objem) a v 1 sklenici vody.

Protože objem místnosti je tisíckrát větší než objem skla, dochází k přerozdělení tepelné energie rychle: v našem příkladu do 20 minut.

Předpokládejme, že jste si nevzali sklenici, ale 1 litr (pro snadnější výpočet). Vc=0.001 metrů krychlových

Váš pokoj má 15 metrů čtverečních, tedy s výškou 2,75 m, jeho objem je 41,2 metrů krychlových.

Poměr objemu skla a místnosti: Ssk = 41,2/0,001 = 41250 krát.

Poměr objemu akvária a místnosti je Sak = 41,2/1 = 41,2 krát.

To znamená, že akvárium se bude zahřívat 1000krát pomaleji.

0,2 hodiny*1000=200 hodin=8 dní.

Jsem špatný fyzik.

2023-05-17 17/05/2023 10:12:11
#3084537

Ano, je jednodušší uspořádat přirozený experiment.

2023-05-17 17/05/2023 10:20:04
#3084540
2559 2459
Jekatěrinburg
5 hodin.

Zde jsem našel vzorec.

Člověk se ptá, jak dlouho bude trvat, než se teplota vyrovná, když je v místnosti 27 stupňů a voda 10 stupňů.

Mám malou nádobu (100 mm X 80 mm X 60 mm) naplněnou vodou o teplotě 10° C. Nádoba je vyrobena z hliníku a není izolovaná a spočívá na dřevěném stole. Teplota v místnosti je asi 27° C. Jak vypočítat dobu potřebnou k tomu, aby voda v nádobě dosáhla pokojové teploty?

Nejprve seřaďte data. Zdá se, že kontejner není malý

objem vody: 4.80×10−4 m3
teplosměnná plocha (nedbejte na nosnou plochu dřeva): 0.038 m2
hmotnost vody: 0.48 kg
tepelná kapacita vody je 4.2kJ/kg-K
vypočítat, kolik tepla je potřeba, aby voda dosáhla pokojové teploty.

△Q=mc(27−10)=34.3 kJ
Za předpokladu, že voda může rychle přenášet teplo, získáme rychlost změny teploty vody,
mcdTwaterdt=Q˙
Použijte 10W/m2−K
pro přenos tepla přirozeným prouděním vzduchu získáme rychlost přenosu tepla,
Q˙=hA(Troom–Twater)
Tak skončíme řešením této rovnice,
mcdTwaterdt=hA(Troom–Twater)
Vyřešte tuto rovnici, dostaneme
Twater=27−17e−hAmct=27−17e−0.000188t
.

Spočítejte si to, potřebovali byste asi 20 hodin. Ale během 6 hodin můžete dostat teplotu vody nad 90% z 27 stupňů.

Upraveno 17.5.23 Sergejem PAT_A

2023-05-17 17/05/2023 10:20:14
#3084541

Oooh, přesně to, co potřebujete! Ještě jednou děkuji!

PS Poslal jsem ChatGPT tento odkaz a požádal o přepočet znovu. Vyprávěl to.

Podle výpočtu by tedy za předpokladu součinitele prostupu tepla k = 18.15 min^(-1) a zanedbání tepelných ztrát trvalo ohřát 7 metr krychlový vody ze 20 stupňů Celsia na 0.05 stupňů Celsia přibližně 1 minuty. do okolí.

Za 18 minut se kostka vody zahřeje ze 7 na 20 stupňů.

Takto můžete smažit míchaná vejce při pokojové teplotě. ))

Upraveno 17.5.23 od Sesdy

2023-05-17 17/05/2023 10:21:50
#3084542
2559 2459
Jekatěrinburg
5 hodin.

Myslím, že tento výpočet nebere v úvahu, že se voda v akváriu pohybuje, takže k přenosu tepla dochází rychleji – rychleji se ohřívá. Voda se přitom více odpařuje – dochází k ochlazení.

S největší pravděpodobností bude výpočet v praxi pouze přibližný, vše je jinak.

volyvasiljev
U vody je hlavním způsobem přenosu tepla konvekce, tepelná vodivost vody saje.
potřebujete čerpadlo, cirkulaci – pak se vše rychle zahřeje

Upraveno 17.5.23 Sergejem PAT_A

2023-05-17 17/05/2023 10:29:55
#3084543

Sergey PAT_A
Myslím, že tento výpočet nebere v úvahu, že se voda v akváriu pohybuje, takže k přenosu tepla dochází rychleji – rychleji se ohřívá.

Mimochodem, ano, pokud se stěny akvária zahřejí, tak ohřátá voda z těchto stěn stoupá po celé ploše nahoru a studená voda se dostane na její místo a pokračuje opět v práci.

PS Pokud jsem pochopil, výpočet se provádí podle vzorce

Upraveno 17.5.23 od Sesdy

2023-05-17 17/05/2023 10:34:46
#3084546

Vlastní na Aqa.ru, poradce

Sesda
Jak dlouho bude trvat, než teplota v akváriu dosáhne 20 stupňů, tzn. teplota okolí?

Pro praktické použití je vše napsané výše odpad. Pro nesprávně položený problém neexistuje správné řešení. Doba ohřevu silně souvisí s teplosměnnou plochou. Nemusíte být brilantní fyzik, abyste uhodli, že krychle vody uzavřená v krychli o stranách metr se ohřeje řádově pomaleji, než když se voda nalije do nádoby o stranách 5 krát 5 metrů a šířce. o 40 cm. Přidáme-li, že materiál stěn nádoby má svou tepelnou vodivost, například to může být velmi silný pěnový plast nebo tenké hliníkové plechy, pak je jasné, že řešení problému se stává poměrně složitým.
Druhý důvod nesprávnosti problému je následující. Voda se ohřívá exponenciálně. Tito. pokud je konečný rozdíl T vody a vzduchu považován za nulový, pak bude doba ohřevu vody vždy nekonečná. Musí existovat určitý rozdíl, při kterém lze předpokládat, že voda dosáhla T místnosti. Například 0,5 stupně. Tito. pro teplotu vody 19,5 nebo 19,99 stupňů lze najít řešení. Je také zřejmé, že čas pro tyto dva T se bude také lišit o řád.
Stručně řečeno, takové problémy lze vyřešit za správně specifikovaných podmínek, ale ne tak přímočaře, jak naznačují výše. Z praktického hlediska je výhodnější takové problémy řešit jiným způsobem. Máme určitou nádobu (vaše akva) a aniž bychom se zajímali o její přesnou geometrii a materiál stěn, prostě si pamatujeme, že ohřev probíhá exponenciálně. A není těžké ho postavit ze dvou bodů. První bod ve vašem případě, čas je nula, delta T je 10 stupňů (20-10=10). Druhý je snadné najít: po libovolném zvoleném čase změřte T vody a získejte novou deltu (rozdíl T). Internet je plný příkladů řešení, jak najít třetí bod se dvěma body pro libovolnou vybranou deltu. Dovolte mi, abych vám připomněl, že delta nemá právo rovnat se nule a vzhledem k chybě vašich měření, čím více ji vyberete, tím menší chybu budete počítat čas.

Upraveno 17.5.23 Damir184

Voda je nejběžnější látkou na povrchu Země a je hlavní složkou lidského těla a prostředím pro všechny chemické procesy. Z hodin fyziky ve škole víme, že voda by v každém případě měla zamrzat při teplotě 0 stupňů Celsia. Před mnoha lety teoretici při práci na anomálních vlastnostech vody navrhli, že kapalná voda může existovat ve dvou různých stavech. Faktem je, že prostředí neobsahuje čistou vodu, ale roztoky různých látek. Pokud je voda velmi čistá a neobsahuje nečistoty nebo nehomogenity, které by se staly „krystalizačními zrny“, pak může existovat v kapalném stavu při teplotách hodně pod nulou.

Počátkem 20. století bylo známo, že velmi vysoký tlak, který molekulám vody ztěžuje šíření do pevné struktury, umožňuje získat kapalnou vodu několik stupňů pod nulou stupňů Celsia. Voda ztvrdne a zůstane pevná při teplotách výrazně nad 0 °C. Nejnovější zprávy a zajímavé materiály o nových technologiích dokazují, že za určitých podmínek chlazení zůstává čistá voda v kapalném stavu i při -44 °C.

Vědci z univerzity v Houstonu museli provést řadu studií, aby pochopili, že proces přeměny vody na led není tak jednoduchý a srozumitelný, jak se dříve myslelo.

Vědci zjistili, že 0 stupňů není „bod tuhnutí“ vody při této teplotě voda začíná mrznout. Proces, při kterém se každá kapka vody promění v led, závisí na povrchu, se kterým přijde do styku. To se děje rychleji na tvrdém povrchu. Kontakt s olejem a gelem prodlužuje tekuté skupenství vody i po poklesu teploty. Tento objev neočekávaně způsobil, že velké kapky zamrzly rychleji než malé.

Celá řada experimentů studujících chování nestandardních kapek o velikosti pouhých 2 mm prokázala rozdíl v jejich vlastnostech při zmrazování od vlastností obyčejných kapek o průměru 100 nm. Díky těmto poznatkům se objasňuje chování kapalin, umožňují vytvářet kvalitní konzervační systémy pomocí hlubokého zmrazování a používají se také k zamezení námrazy např. na tělesech letadel, protože led se tvoří po změnách teplot v zimě. .

Aby ledové krystalky vznikaly, je potřeba základ například v podobě prachových částic. Bez toho čistá voda při 0 °C nezamrzne. V kapalině jsou molekuly v neustálém pohybu a vodíkové vazby mezi nimi zůstávají slabé. Vzhledem k téměř úplné absenci solných nečistot v destilované vodě, které tvoří krystalizační centra, začíná mrazení při -42 °C. Ale i po dosažení –48 °C určité množství vody zůstává v kapalném skupenství, i když velmi krátkou dobu díky změně molekulární struktury molekul vody ve formě stabilního čtyřstěnu s dalšími čtyřmi molekulami vody.

Zárodky krystalizace jsou organické a minerální částice rozpuštěné ve vodě, stejně jako vzduchové bubliny, praskliny a třísky nádoby, kam se nalévá voda. Při nízkých teplotách studená voda mrzne déle než horká voda Vzhledem k velkému počtu krystalizačních zárodků probíhá proces zmrazování v horké vodě rychleji než ve studené.

Minerální voda obsahuje nečistoty, takže bod tuhnutí bude nižší než u běžné vody. Například obyčejná kuchyňská sůl snižuje teplotu krystalizace na -21 stupňů Celsia.

To je hlavní rozdíl ve zmrazování těchto dvou kapalin: čím méně nečistot, tím nižší je teplota potřebná pro zmrazení. Stupeň slanosti vody velmi ovlivňuje její bod tuhnutí. Čím více soli je ve vodě, tím nižší teplota klesá od značky 0 °C na teploměru, aby se z vody mohl tvořit led. Například led z oceánské vody se začíná tvořit při teplotě -1,9 °C. Ohledně zástupců polárních moří se hned nabízí otázka: jejich krev nemrzne na -0,5 °C díky bílkovinám produkovaným tělem a nasyceným krví, které zpomalují proces krystalizace.