Re: [新聞] 熱水結冰比冷水快 英化學學會千鎊徵答
彭巴效應
主要原因:密度差 對流規則 重力 玻璃杯邊緣
密度差
初始溫度越高 密度差越高 流動速率越快
流動規則
分為兩階段,以頂溫四度C為分界點(因四度C密度最高)
第一階段
流動方向分為三層,
第一層:玻璃邊緣因為低溫,使密度變小
方向:向上
第二層:溫度慢慢提升至四度,使密度慢慢提升
方向:向下
第三層:溫度從四度提升至高溫,使密度慢慢下降
方向:向上
流動方向
剛開始
第一層:非常薄慢慢變厚
第二層:厚度不知
第三層:厚度幾乎可以等玻璃杯
第一層流動方向
冷水->密度變小->由底部依玻璃邊緣流動到頂部
第二層流動方向
冷水跟熱水混合->密度漸增->由第一層跟第三層中間流向底部累積(因玻璃邊緣也是低溫所以可以一路流到底部) 第三層流動方向
熱水上升->碰到玻璃杯邊緣使密度增加->冷卻水
底部冷水累積
因為第一層加第三層水量小於第二層流量,4度C水會在底部囤積,隨時間變多
第二階段
流動方向分為兩層
第一層:玻璃邊緣因為低溫,使密度變小
方向:向上
第二層:溫度慢慢提升至四度,使密度慢慢提升
方向:向下
結冰方向
因第一層為低溫所以會從外面開始結冰
重力
因為重力跟玻璃杯璧所形成之角度會影響第二層流動速度(可以想像一台車會因為角度
越大速度越快)
玻璃邊緣
因為熱量需靠玻璃邊緣散熱,玻璃邊緣沒保持再低溫時,水無法從頂部流到底部
推論
1.邊降溫時,慢慢搖動->會使結冰時間加長(已證實)
因為搖動時破壞流動規則,使冷水不易在底部累積
2.玻璃杯形狀,會使結冰時間發生變化(已證實)
因為第二層流動速度受重力影響
3.任何初始溫度大於4度C的水都不會比4度C結冰速度快
因為4度C的水直接進入第二階段.
4.任何初始溫度大於4度C的水,其頂溫從4度C到結冰時間都一樣(未有過冷反應時)
因為第二階段時結冰過程都一樣,不受初使溫度影響
5.初始溫度越高,冷去時間越快(已證實)
因為溫度與密度差成正比,密度差與流動速度成正比.
6.初始溫度高的水比溫度低的水,不易過冷
由5可知溫度越高,流動速率越快,這時第二層會因密度差較大,流動速率快,這時玻璃邊緣因為溫度低於結冰溫度,所以表面會有冰晶產生,冰晶被水帶走(水流越快,冰晶數量越高),已知雜質越多,越不易過冷,所以熱水較冷水不易過冷
7.如果只從頂部和底部加熱(玻璃杯側面保持恆溫),彭巴效應會失效
因為玻璃杯側面是冷水從頂部流到底部關鍵,它會不斷吸收冷水能量
Q&A
1.為何不能把熱水視為熱水降到冷水的溫度?
因為底部冷水會隨時間不斷的壘積,所以當溫度到達冷水溫度時,底部已累積大量冷水
,感覺就像是杯子會隨時間縮小,但散熱面積又不變,所以熱水不能視為降到冷水溫度.
大自然中彭巴效應
聖嬰現象
聖嬰現象時會發現海水中央溫度上升,而南美洲海岸直而深(可以看成杯壁),這時海水會像第二層流動方式一樣,向下流動(第一層因為大陸的溫度為低於4度C所以第一層會不見),目前已知每次聖嬰現象發生時,南美洲外海海水會大量下沉就是此一原因.
請問我這樣推論對嗎?
z
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