Interessante Frage!

Ein paar Dinge zuerst:

Wenn das Eis schmilzt, kühlt es das Wasser um es herum ab.

Technisch gesehen schmilzt der Eiswürfel , weil das Wasser abkühlt. Das mag zunächst lächerlich klingen, aber Sie müssen die Tatsache berücksichtigen, dass das Eis schmilzt, weil es "Wärme" (Energie) aus seiner Umgebung gezogen hat. Die "Umgebung" ist die Luft und das Wasser, die sie umgeben (aber das Wasser ist wichtiger, da es die Wärmeenergie besser leitet).

Angesichts der Tatsache, dass kaltes Wasser dichter als heißes Wasser ist, würde ich es tun Angenommen, das kalte Wasser würde auf den Boden sinken ... aber es würde sich beim Absinken erwärmen und die Dichte verringern.

Sie haben Recht, kaltes Wasser ist dichter als heißes Wasser. Es ist jedoch hilfreich zu beachten, dass es nicht zu kalt sein sollte. Wenn die Wassertemperatur auf 4 ° C abfällt, nimmt die Wasserdichte allmählich zu. Wenn jedoch die Temperatur unter 4 ° C fällt, beginnt die Dichte des Wassers tatsächlich zu sinken, und Wasser in diesem Bereich "schwimmt" leicht über Wasser im Raumtemperaturbereich.

Währenddessen schmilzt das Eis immer noch und gibt seine Kälte an das umgebende Wasser ab.

Eis ist nicht ' Wenn Sie nicht von seiner "Kälte" abgeben, nimmt es die "Wärme" (Wärmeenergie) des Wassers auf.

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Wie Max in seiner Antwort erwähnt, haben Sie besonders gut angegeben, mit welchen physikalischen Parametern wir es zu tun haben. Die wirklich wichtigen sind die Eistemperatur, die Wassertemperatur (zum Zeitpunkt des Einlegens des Eises) und die Menge des verwendeten Eises (zumindest in Bezug auf das Wasser).

Angenommen, Sie trinken Wasser (ursprünglich bei Raumtemperatur) aus einem 250-ml-Styropor- oder Plastikbecher, haben zwei (normal große) Eiswürfel verwendet und eine Minute nach dem Eintauchen mit dem Trinken des Wassers begonnen Bei den Eiswürfeln sollte das Wasser oben kälter sein als unten.

Betrachten Sie winzige, imaginäre Schichten / Regionen / Päckchen Wasser in der Tasse (denken Sie darüber nach) Begriffe von Wasser "Paketen" anstelle von Wassermolekülen sind leichter zu verstehen). Stellen Sie sich den Becher auch als drei (grob abgegrenzte) Bereiche vor: oben, in der Mitte und unten.

Wasserpakete unmittelbar neben den Eiswürfeln befinden sich im thermischen Gleichgewicht mit den äußersten Bereichen des Eises. Diese Pakete gewinnen jedoch bald etwas Wärmeenergie von anderen Wasserpaketen, die an sie angrenzen. Wenn die Temperatur dieser Pakete langsam von null Grad auf über 4 ° C steigt, sinken sie und neue Pakete besetzen Orte neben dem Eis. Der Zyklus wiederholt sich so lange, wie das Eis vorhanden ist.

Wenn diese Eispakete sinken, gewinnen sie mehr Wärmeenergie aus den Wasserpaketen, mit denen sie auf ihrem Weg nach unten in Kontakt kommen. Dies führt zusammen mit den viskosen Effekten von Wasser zu einem leichten "Aufwärmen" der sinkenden Pakete.

Jetzt, da sie sich etwas erwärmen, neigen sie dazu, wieder aufzusteigen . Zurück oben werden sie abgekühlt und sinken wieder. Dieser Vorgang wiederholt sich so lange, wie das Eis im Wasser bleibt.

Wenn Sie einen Schritt zurücktreten, werden Sie feststellen, dass die Mitte des Bechers kalt und der Boden des Bechers kalt sein sollte kälter und die Oberseite der Tasse ist die kälteste .

Selbst wenn die Eiswürfel Ihre Lippen nicht wirklich berühren, werden Sie es tun Finden Sie, dass das Wasser oben kälter ist, als wenn Sie Wasser von unten durch einen Strohhalm heraussaugen.

Die Konvektion zur Erzielung einer Gleichmäßigkeit hängt von einer Reihe nebulöser Faktoren ab:

Das Wesentliche ist dies. Seen nicht einfrieren solide im Winter. Ohne Rühren bildet das Seewasser Schichten, die sich sehr, sehr langsam vermischen. Das gefrorene Eis schwimmt also auf dem See.

Ohne Rühren ist das Wasser an der Lippe wahrscheinlich kälter als die Flüssigkeit am Boden des Glases.

BEARBEITEN - Dies ist ein Experiment, das Sie problemlos zu Hause durchführen können. Füllen Sie ein großes klares Glas (ein echtes Glasglas ...) zu etwa 2/3 mit Leitungswasser und fügen Sie unter Rühren Lebensmittelfarbe hinzu, um die Flüssigkeit ziemlich dunkel zu machen. Fügen Sie dann genügend Eis hinzu, um das Glas ohne Rühren zu füllen. Lassen Sie das Glas auf einer festen Theke stehen, bis das Eis schmilzt. (Schönes Experiment, um über Nacht zu laufen ...) Da sich das Wasser geschichtet hat, ist die Wasserschicht oben merklich heller als die Schicht unten.

Wärme fließt durch Strahlung, Leitung und Konvektion. Zuerst muss ich über den Begriff "Eiswasser" streiten. Eiswasser kann Eis enthalten oder nicht. Was es eindeutig impliziert, ist, dass das Wasser 0 ° C hat. Stellen Sie sich ein System vor, bei dem nur ein minimaler Luftstrom (daher eine minimale Luft-Wasser-Leitung) vorhanden ist. Stellen Sie sich ein System vor, bei dem das Wasser (hier Wasser = flüssiges Wasser) 0 ° hat. Je nach Gefrierschrank entsteht normalerweise Eis zwischen -15 ° F und + 25 ° F. Es liegt in allen Fällen unter 0 ° C (offensichtlich). Was passiert nun im Idealfall, wenn ich bei 0 ° C ein "kleines Stück" Eis ins Wasser lege? Ja, das Wasser gefriert. Da die reale Welt nicht kontinuierlich ist, wird dies natürlich nicht wirklich passieren und es ist möglich, ein System zu konstruieren, in dem Wasser und Eis bei 0 ° C im Gleichgewicht sind - aber es ist definitiv nicht "einfach". Ich erwähne das Obige, um Ihnen zu zeigen, dass Sie Ihr System nicht angemessen spezifiziert haben. Die Massen und Temperaturen des Wassers und des Eises sind wichtig. Ebenso wie die Lufttemperatur, die Temperatur des Behälters und die Temperatur der Bank / des Tisches. Bei einem ausreichend isolierenden Behälter müssen Sie sich immer noch Gedanken über den Massenstrom (Ströme) machen, den Sie dem Wasser durch Gießen gegeben haben. (Es kann Stunden und möglicherweise Tage dauern, bis sich diese Strömungen vollständig aufgelöst haben - auch unter nahezu isothermen Bedingungen!) Und natürlich ist die Form der Eisstücke von Bedeutung. Betrachten Sie ein (perfekt isolierendes) Kapillarröhrchen und eine flache Schale mit der gleichen Gesamtvolumenkapazität. Der Massenstrom und der Wärmestrom sind sehr unterschiedlich. Hydrodynamische Berechnungen können (und sind fast immer) enorm schwierig sein. Das Wasser darf nicht kälter als 0 ° sein (ohne Unterkühlung). Das muss eindeutig in Kontakt mit dem Eis geschehen. Aber denken Sie an einen zylindrischen Becher mit einem Durchmesser von 10 cm (id). Glauben Sie, dass die Antwort anders wäre, wenn ich einen 1 cm ^{3 sup> -Eiswürfel in 1 l Wasser in diesen Becher geben würde ODER wenn ich einen 1 cm dicke Scheibe mit einem Durchmesser (od) von 9,9 cm in die Tasse? Ja, unterbestimmtes System, große Zeit. Ein weiteres offensichtliches fehlendes Teil ist das, was Sie unter Temperatur verstehen. Nicht in dem Sinne, dass es sich nicht um eine genau definierte (makroskopische!) Eigenschaft handelt, sondern in dem Sinne, dass Sie (wahrscheinlich) an die Durchschnittstemperatur über ein bestimmtes Volumen denken. Wie gesagt, das kälteste Wasser wird "in Kontakt" mit dem Eis gefunden, aber dies bedeutet nicht, dass die gesamte Oberfläche im Durchschnitt kälter ist als der Boden 0,1 cm in der Tasse, da dies offensichtlich ist hängt von Dingen ab, die Sie nicht angegeben haben. Stellen Sie sich als letzten "Schraubenschlüssel" vor, um zu beantworten, dass die Tasse einen Einsatz enthält und dass der Metalleinsatz auf -200 ° C abgekühlt wurde. Sie gießen das 0 ° C Wasser zusammen mit einer nicht spezifizierten Menge Eis ein und Sie bekommen ein Gefrieren des Wassers auf der gesamten Innenfläche des Bechers. Glauben Sie wirklich, dass dieses Eis den gleichen Effekt haben würde wie schwimmende Würfel, selbst wenn wir dieses Eis einbeziehen, wenn wir das Volumen und die Temperatur des Eises angeben? Oder betrachten Sie einen Eisring anstelle einer Scheibe, und was ist mit der Oberflächenrauheit der Tassenauskleidung?}

Wenn die Temperatur sinkt, nimmt die kinetische Energie ab, das Volumen nimmt ab und dann steigt die Dichte. Daher sinkt der Feststoff und die Flüssigkeit befindet sich oben.

Er bezieht sich auf das Wasser, jedoch nur bis zu 4 ° C. Wenn es 10 ° C Wasser gibt, sinkt die Wassertemperatur auf 9 ° C, das 9 ° C Wasser sinkt aufgrund der höheren Dichte.

Aber wenn wir 4 ° C nehmen, sinkt die Wassertemperatur auf 3 ° C. Es ist anders. Sie wissen, dass zwischen jedem $ \ ce {H2O} $ -Molekül Wasserstoffbrücken bestehen. Die Form des $ \ ce {H2O} $ -Moleküls ist "gebogen". Die zwei Wasserstoffatome können zwei Wasserstoffbrückenbindungen mit zwei Sauerstoffatomen eingehen, und zwei einzelne Elektronenpaare des Sauerstoffatoms bilden zwei Wasserstoffbrückenbindungen mit den beiden Wasserstoffatomen eines anderen Moleküls. Dann kann es eine tetraedrische Form haben. Sie wissen, dass Festkörper eine regelmäßige Struktur haben. (Flüssiges) Wasser hat keine regelmäßige Form, überall gibt es unregelmäßig Moleküle und Wasserstoffbrücken. Wenn die Temperatur in Bezug auf die reguläre Form von 4 ° C sinkt, versuchen die tetraedrischen $ \ ce {H2O} $ -Moleküle, den Abstand zu vergrößern und zu einer regulären Form zu gelangen. Das Volumen nimmt also zu und die Dichte nimmt ab. Nach 4 ° C bis zu niedrigen Temperaturen (3, 2, 1, 0, -1) schwimmt das (Wasser) oben.

Damit das kalte Wasser auf den Boden des Glases sinkt, ist es kälter als das Wasser am Boden, das verdrängt wird. Also ja, das kälteste Wasser wird oben sein.