Ко льду добавили воду

В калориметре находятся в тепловом равновесии вода и лёд. После опускания в калориметр болта, имеющего массу 165 г и температуру –40 °С, 20% воды превратилось в лёд. Удельная теплоёмкость материала болта равна 500 Дж/(кг · К). Какая масса воды первоначально находилась в калориметре? Теплоёмкостью калориметра пренебречь.

Так как вода и лёд находятся в тепловом равновесии, то и до опускания болта, и после его нагревания температура в сосуде t₀ = 0 °С. Согласно уравнению теплового баланса количество теплоты, выделившееся при замерзании воды, было затрачено на нагревание болта: где m — масса воды в сосуде, m₁ — масса болта, с — удельная теплоёмкость болта, r — удельная теплота плавления льда, t — начальная температура болта. Получим:

Ответ: m = 0,05 кг.

Критерии оценивания выполнения задания

Баллы

Приведено полное решение, включающее следующие элементы:

I) записаны положения теории и физические законы, закономерности, применение которых необходимо для решения задачи выбранным способом: (в данном случае: условие теплового равновесия воды и льда, формулы для расчёта количества теплоты при нагревании и кристаллизации, уравнение теплового баланса);

II) описаны все вновь вводимые в решении буквенные обозначения физических величин (за исключением обозначений констант, указанных в варианте КИМ, обозначений, используемых в условии задачи, и стандартных обозначений величин, используемых при написании физических законов);

III) проведены необходимые математические преобразования и расчёты, приводящие к правильному числовому ответу (допускается решение «по частям» с промежуточными вычислениями);

IV) представлен правильный

Правильно записаны все необходимые положения теории,

физические законы, закономерности, и проведены преобразования, направленные на решение задачи. Но имеются один или несколько из следующих недостатков. Записи, соответствующие пункту II, представлены не в полном

объёме или отсутствуют.

В решении имеются лишние записи, не входящие в решение, которые не отделены от решения и не зачёркнуты.

В необходимых математических преобразованиях или вычислениях допущены ошибки, и (или) в математических преобразованиях/вычислениях пропущены логически важные шаги.

Источник

Ко льду добавили воду

Получится ли описанный в тексте опыт по режеляции льда, если его проводить при температуре –20 °С? Ответ поясните.

Между давлением и точкой замерзания (плавления) воды наблюдается интересная зависимость (см. таблицу).

Давление, атм	Температура плавления льда, °C	Изменение объёма при кристализации, см 3 /моль	Давление, атм	Температура плавления льда, °C	Изменение объёма при кристализации, см 3 /моль
1	0,0	−1,62	5280	−10,0	1,73
610	−5,0	−1,83	5810	−5,0	1,69
1970	−20,0	−2,37	7640	10,0	1,52
2115	−22,0	0,84	20000	73,8	0,68

С повышением давления до 2200 атмосфер температура плавления падает: с увеличением давления на каждую атмосферу она понижается примерно на 0,0075 °С. При дальнейшем увеличении давления точка замерзания воды начинает расти: при давлении 20 670 атмосфер вода замерзает при 76 °С. В этом случае будет наблюдаться горячий лёд.

При нормальном атмосферном давлении объём воды при замерзании внезапно возрастает примерно на 11%. В замкнутом пространстве такой процесс приводит к возникновению громадного избыточного давления до 2500 атм. Вода, замерзая, разрывает горные породы, дробит многотонные глыбы.

В XIX веке было обнаружено явление режеляции льда, которое можно продемонстрировать на опыте. Поставим на два столбика прямоугольный ледяной брусок. Перекинем через него тонкую стальную проволоку (диаметром 0,1 мм) и подвесим на ней груз массой 3 кг (см. рис. а). Все это оставим на лёгком морозе. Важно, чтобы температура на улице была лишь немногим ниже нуля. Примерно через сутки мы обнаружим, что проволока и гиря лежат на земле, а на столбиках стоит наш ледяной брусок, целый и невредимый. Если бы мы в течение опыта выходили на улицу, то увидели бы, как постепенно проволока опускается, как бы разрезая ледяной брусок (см. рис. б, в, г), никакого разреза не остаётся – выше проволоки брусок оказывается монолитным.

Долгое время думали, что лёд под лезвиями коньков тает потому, что испытывает сильное давление, температура плавления льда понижается и лёд плавится. Однако расчёты показывают, что под коньками температура плавления льда уменьшается примерно на 0,1 °С, что явно недостаточно для катания, например, при –10 °С.

Источник

Ко льду добавили воду

В калориметре находится вода, масса которой 100 г и температура 0 °С. В него добавляют кусок льда, масса которого 20 г и температура –5 °С. Какой будет температура содержимого калориметра после установления в нём теплового равновесия? Ответ приведите в градусах Цельсия.

Система находится в калориметре, следовательно, теплопотерями можно пренебречь. Вся энергия, которая выделяется при замерзании воды, идёт на нагрев льда. Определим сперва, сколько нужно энергии, чтобы нагреть весь лёд до : Теперь определим, сколько энергии выделится, если вся вода замёрзнет: Поскольку вся вода не успеет замёрзнуть, пока лёд нагреется до нуля. Когда температуры сравняются, теплообмен закончится. Таким образом, конечная температура содержимого калориметра равна

Приведено полное решение, включающее следующие элементы:

I) записаны положения теории и физические законы, закономерности, применение которых необходимо для решения задачи выбранным способом;

III) представлены необходимые математические преобразования и расчёты, приводящие к правильному числовому ответу (допускается решение «по частям» с промежуточными вычислениями);

IV) представлен правильный ответ с указанием единиц измерения искомой величины

Правильно записаны все необходимые положения теории, физические законы, закономерности, и проведены преобразования, направленные на решение задачи, но имеется один или несколько из следующих недостатков.

Записи, соответствующие пункту II, представлены не в полном объёме или отсутствуют.

В решении имеются лишние записи, не входящие в решение (возможно, неверные), которые не отделены от решения и не зачёркнуты.

Отсутствует пункт IV, или в нём допущена ошибка (в том числе в записи единиц измерения величины)

Все случаи решения, которые не соответствуют вышеуказанным критериям выставления оценок в 1 или 2 балла

Критерии оценивания выполнения задания	Баллы
2
1
0
Максимальный балл	2

Товарищи! Вы заведомо знали что до нуля нагреется лед.

Я все решил и нашел температуру — -0,7 цельсия градусеров.

Вовсе не заведомо. В решении сначала проводится проверка, оценивается, сколько тепла нужно для нагревания льда до температуры плавления. Потом вычисляется, сколько тепла выделится при замерзании воды. Оказывается, что вторая величина больше первой, а значит, весь начальный лед нагреется до , часть воды превратится в лед, а часть по-прежнему останется в жидком состоянии. Когда температуры сравняются, установится тепловое равновесие, дальше температура содержимого калориметра изменяться не будет.

Голову разбил решая, теперь сдам ЕГЭ на 100 баллов! А хотя вы наврное не оставите этот комент, но спасибо не знаю куда писать. Круто, главное что быстро!

Да не за что! Обращайтесь.

А для «спасибо» тут целый раздел заготовлен 🙂

1) Правильно ли я понял процесс: лед кинули в воду,у которой тут же начался процесс кристаллизации(т.к. она уже находилась при температуре кристаллизации). Через небольшое кол-во времени некая часть теплоты(а именно 210 Дж), которая выделилась при процессе кристаллизации, пойдет на нагрев льда,к-ый после этого станет 0 градусов. И вот тут-то учитывая,что при кристаллизации температура в-ва не изменяется(у воды она 0 градусов) устанавливается тепловой баланс.

2)Что бы было, если Q2 было бы меньше Q1? Невозможно было бы решить задачу?

3)Допустим,что вода замерзла вся до конца. Можно ли вычислить как-то температуру вещества(уже льда) сразу после окончания процесса кристаллизации?

1) Все верно. Часть воды замерзнет, лед нагреется до . Дальше устанавливается тепловое равновесие. Количество льда и воды перестает меняться.

2,3) Два вопроса очень близки, поэтому отвечу сразу. Если окажется, что в точности , это означает, что в конце будет только лед при температуре . То есть пока начальный лед нагреется до этой температуры, вся вода как раз успеет превратится в лед.

Если окажется, что , конечно, задачу решить можно. Просто придется составить тепловой баланс. Теперь в конечном состоянии будет лед при минусовой температуре. Обозначим ее через . Тогда, все тепло, выделяющееся при кристаллизации воды и при охлаждении получившегося куска льда до идет на нагрев первоначального куска льда:

Решив это уравнение, можно найти значение .

Никак не могу понять, почему мы используем в формуле вычисления количества выделившейся энергии при замерзании воды Q2 удельную теплоту плавления льда. Плавление льда равносильно замерзанию воды?

Плавление и кристаллизация — обратные процессы (точно также как кипение и конденсация). Для плавления к телу необходимо подводить тепло, при отвердевании тепло само выделяется. При этом формула для тепла одна и та же: . Просто при составлении теплового баланса нужно учитывать направление теплопередачи.

Источник

5 мифов о льде

Разница между идеально сбалансированным коктейлем и чем-то отдаленно напоминающим его, часто сводится ко льду. Ведь лед влияет не только на температуру. Еще присутствует неизбежный эффект разбавления. И, поскольку почти половина объема коктейля иногда заполняется льдом, наверно стоит обращать немного больше внимания на эти прозрачные кубики?

Если провести время в необычном коктейльном баре, вполне возможно услышать некоторые заблуждения по поводу льда и его свойств. Автор этой статьи постарался развенчать мифы, стоящие за холодным веществом.

Миф № 1. Неочищенная вода, причина мутного льда.

Неправда.
Примеси содержащиеся в воде, например, растворенные минералы или газы, являются основанием того, что делает лед мутным, но если замораживать лед без использования кипяченной или дистиллированной воды, то прозрачность сохранится.

Существуют, по крайней мере, 4 фактора, которые имеют влияние на уровень мутности льда. При этом, любая техника для приготовления последнего, должна их неукоснительно учитывать, что бы не утратить его прозрачность. Причины распределены по степени важности, начиная с самой влиятельной:

Кристаллическая структура льда.
Кубик льда состоит из кристаллизованных молекул воды. При быстром замораживании льда, кристаллы начинают синхронно формироваться, но в хаотичном порядке. Когда молекулы воды соединяются с этими кристаллами, то они автоматически выравниваются в пласт. Проблема состоит в том, что кристаллы формируется раздельно и при сближении не имеют возможности точно состыковаться. Из-за чего образуются трещины, изломы и другие дефекты, выглядящие как помутнение. Представить это можно, в виде процесса постройки кирпичной стены. Когда двое рабочих одновременно начинают закладку с разных позиций. Один, к примеру, с правого угла, а второй слева от середины. И вот, существует немалая вероятность того, что при сближении их рядов, между кирпичами возникнут просветы. Но, если бы их процесс изначально был структурирован и выполнялся поступательно в определенном векторе, конечный результат выглядел бы без изъянов. Так же и со льдом, когда процесс заморозки происходит медленно и постепенно, то и мутность воды сходит на нет.
Перемораживание.
Не только скорость заморозки влияет на степень прозрачности льда, но и температура при которой происходит его формирование. Она влияет на размер образовывающихся кристалов. Шоколотье знают, что лучшим шоколадом является продукт, который был «отпущен» при температуре около 32°С. Только с учетом этой температуры в шоколадном изделии образуются подходящие кристаллы. Аналогичным методом, создаются крупные и прозрачные кристаллы в структуре льда, только температура должна быть около 0°С. В случае, когда температура понижается ниже приемлемой отметки, кристалы формируется в малых размерах, за счет чего их сведение усложняется и появляются недостатки. Конечно, такую заморозку выполняет только специализированная техника, обычные домашние холодильники на это не рассчитаны.
Расширение. У льда плотность меньше в сравнении с водой, из-за чего её объем в замороженном состоянии увеличится. Если охлаждение воды происходит слишком быстро, то образовывавшиеся крошечные кристаллы, не занимают нужные позиции, из-за чего остаются просветы. Не нужно добавлять лед в теплый коктейль, а то он потрескается. Что бы визуальный вид напитка сохранил презентабельность, жидкость следует охладить, а после смешивать со льдом.
Примеси. Да, примеси могут вызвать помутнения, если вода сильно минерализированная, то это может вызвать проблему. В крайнем случае, что бы увидеть эффект от примесей в воде, вы можете заморозить кубик соленной воды. Процесс замораживания оставит соль снаружи, а в самом центре кубика, её не будет, но лёд между ними будет чрезвычайно «хрустящим». Лёд хрустящий, потому что воздух занимает пространство, которое было освобождено от соли. Как вы и представили себе, лёд будет далеко не прозрачным. Но так как хорошо отфильтрованная вода должна быть ниже 30/1000000 частей от общего количества растворенных твердых веществ, то эффект от этих примесей минимален. Всё дело в растворении кислорода. Когда лёд замерзает быстро, то воздушные пузырьки попадают в ловушку и так получается мутный лёд. При медленном замораживании эти пузырьки вытесняются.

И если дистиллированная вода не работает, как тогда быть? Из всех причин, перечисленных выше, самый чистый лёд, это лёд который заморожен медленно и без переохлаждения, то есть лёд, который формируется при температуре 0 градусов Цельсия. Как же это сделать?

Метод 1:
Используй охладитель. Наиболее известный метод замораживания «Camper English’s directional freezing method». Морозильник Кампер замораживает лёд слой за слоем, начиная сверху вниз. Верхняя часть льда чистая, в то время как лишь на дне она остается немного мутной.

Метод 2:
Используй регулятор температуры. Я написал о своём личном методе. Я
подключаю регулятор к мини холодильнику, так что я могу быть уверенным, что лёд замораживается при температуре чуть ниже 0 градусов Цельсия.

Регулятор температуры включает и выключает морозильник на основе
алгоритма, который принимает во внимания, такие факторы, как изоляция и поток воздуха для поддержки постоянной температуры. Я обнаружил, что путём настройки нужных параметров, я могу поддерживать температуру в пределах + или же – 1 градуса Цельсия. Эта технология работает лучше всего, если ты не открываешь часто дверь морозильника в течении дня.

Метод 3:
Начни с горячей воды. В то время, как я работал над своей научной
книгой про коктейли, я говорил с бывшим криогенным инженером NASA, Дугом Шантих, который отметил, что когда горячая вода замерзает, она больше двигается за счет конвекции, которая может реально помочь предотвратить переохлаждение и позволить воде замораживаться при температуре приближенной к 0 градусов Цельсия.

Любая технология, которую вы можете использовать, замораживая воду при 0 градусов Цельсия, будет работать. Например, так как примеси во льду на самом деле помогают предотвратить переохлаждение, из-за так называемого процесса нуклеации, то вполне возможно, что такие примеси, как листья мяты, могут на самом деле сделать ваш лед более чистым, заставляя его начать формировать кристаллы в локализованном месте; площадь вокруг листочка будет неровной, но остальная часть кубика должна быть чётко сформирована.

Миф № 2. Никогда не добавлять лёд в cкотч.

Ещё большая ложь, чем я думал. Основным аргументом, для того, что бы не добавлять лёд в скотч служит то, что лёд разбавляет виски и делает его
менее ощущаемым. Когда ты охлаждаешь скотч, ты чувствуешь меньше
ароматических соединений, а это означает, что ты не чувствуешь
полноценность скотча. Всё это правда.

Ну а если, всё же добавить лёд виски, получится ли всё совсем так плохо?

Во-первых, даже самые престижные производители скотча признают, что некоторая его выгода, в небольшом количестве воды. Вода изменяет растворимость
некоторых ароматических молекул, это означает, что несколько капель
могут выделить определенные ароматы или же скрыть другие.

Скотч крепкий напиток (в научной литературе, скотч в экспериментах с
алкоголем выступал довольно таки интенсивным напитком.) Охлаждение и разбавление виски, может уменьшить ожог, который часто получают
суперценители. И это может сделать скотч более приемлемым для них. Во всяком случае, популярность виски доказывает, что существует рынок и для охлажденного скотча.

Что же можно сказать о потери аромата из-за охлаждения?

Беспокойство из-за потерянного аромата, в первую очередь обоняния или ощущения ароматических соединений, которые попадают в нос. Но вкусы, которые мы получаем из пищи (или виски) также зависят от ароматов, которые входят в нос через заднюю полость рта. См. изображение ниже.

И так суть в том, что: хоть охлажденный виски не будет убирать все ароматы, пока он в стакане, но как только он станет теплее во рту, эти молекулы станут неустойчивыми по пути с задней части рта в нос, через обоняние.

Миф № 3. Большие куски льда тают медленнее.

С чем же это связанно? Ты, наверное, слышал, что большие кубики льда лучше служат для напитков, потому что большой лёд тает медленнее. Аргумент таков «больше места = быстрее тает = больше разбавляется.» Оказывается, что причина в большом пространстве, но, возможно, это всё не совсем так, как ты представляешь. Но, позволь вернуться к теме нашего разговора.

О самом главном.

Всякий раз, когда мы говорим о льде, ты должен помнить, что не существует никакого охлаждения без разбавления. Сила льда в его таянье, то есть лёд превращается в воду от теплоты окружения. Любое значительное изменение температуры напитка соотносится с количеством растаявшего льда.

Что происходит, когда ты добавляешь в стакан виски комнатной температуры, равное количество маленького прямоугольного и большого шарообразного льда?

В стакане с маленьким льдом произойдет быстрое охлаждение и разбавление. Напиток быстро опустится к температуре 0 градусов Цельсия или чуть ниже и будет оставаться в такой же температуре, пока ты его не допьешь.

В стакане с большим льдом, охлаждение и разбавление будет происходить медленнее. Виски в конце концов охладится до 0 градусов Цельсия, но лёд будет так же по немного таять, и будут всё еще плавать кусочки льда, а это означает, что дно напитка будет ближе к 4 градусов Цельсия, потому что вода является самой плотной при такой температуре. Так что чуть помешивая напиток, ты можешь его охладить больше.

Теперь, когда мы знаем условия, при которых лёд тает медленнее, давай посмотрим на ситуацию наоборот.

Что происходит, когда ты добавляешь равные массы небольшого прямоугольного и большого шарообразного льда в OldFashion, который был охлаждён до 0 градусов Цельсия?

В обоих случаях, когда ты добавляешь лёд в предварительно охлажденный коктейль к нулю, важно начальное таянье. Если ты пьешь два коктейля, лёд будет таять в каждом из них, из-за окружающего тепла. Будет ли большой лёд таять, зависит от изоляции, температуры воздуха и объёма коктейля, но в большинстве случаев, потеря тепла будет одинакова, так что два коктейля охлаждаются и разбавляются с той же скоростью.

Почему маленький лёд может быть лучше в некоторых случаях?

Если ты пьешь коктейль, большой лёд подвергается воздействию воздуха. Что же происходит дальше? Большой лёд охлаждает атмосферу, вместо вашего напитка и тогда получается просто разбавление, без охлаждения. И всё может быть проще с маленьким льдом. В случае с охлажденным OldFashion, всё, что действительно имеет значение, это лёд, который остаётся под водой до тех пор, пока ты пьешь свой коктейль.

Означает ли это то, что мы должны использовать только колотый лёд для напитков?

Нет, ты так же должен учитывать воду, которая находится на поверхности льда, перед его добавлением в напиток. На внешней стороне маленького льда накапливается жидкая вода из-за таянья и конденсации. И когда ты добавляешь маленький лёд в напиток, это поверхностная вода сразу же разбавляет напиток без каких-либо добавлений охладителей.

Конечно же это служит проблемой, если ты работаешь за баром, где лёд хранится при комнатной температуре. Если ты используешь маленький лёд, взятый с морозильника, то жидкость должна быть незначительна.

Итак, какой же лёд использую я? Когда я пью коктейли дома, я с удовольствием использую много маленьких кубиков льда прямо из морозилки. Но это не означает, что я не люблю большие кубики. От них нет большой разницы в охлаждении, но они вдобавок довольно таки прикольные.

Хотя вода и плотная при температуре 4 градуса Цельсия, но температура при которой смеси алкоголя и воды будет варьироваться в зависимости от ABV.
Смесь воды и этанола имеет более низкую температуру замерзания, чем вода сама по себе, так что невероятная мощность охлаждения тающего льда, может сделать напиток ниже 0 градусов Цельсия. Но, в случае большого льда и комнатной температуры виски, большой лёд вероятно не будет давать сильного эффекта. См Миф № 5, ниже.

Миф № 4. Напитки на яйцах всегда доминируют над напитками «сухой встряски».

Ложь. Оказывается, что напитки, которые содержат только яичные белки, извлекают выгоду из сухой смеси (то есть, встряхивания безо льда), но всё наоборот с напитками, которые содержат целые яйца.

Какое же отношения имеет «миф» ко льду?

Сухое встряхивание не такое уж и сухое или влажное, тут идёт речь о температуре. Любой пекарь знает, что сделать пену из яичного желтка, комнатной температуры, легче, нежели, когда он охлаждённый, поэтому сухое взбалтывание создаст пенистый напиток, на основе яичных белков.

Пенка из всего яйца отличается, потому что она содержит жир яичного желтка и уже не так важна его температура.

Но это не меняет тот факт, что эти два отдельных процесса взбалтывания, являются огромным геморроем для бармена, поэтому вот несколько советов для приготовления изумительных напитков на яйцах, без особой заботы о сухом взбалтывании.

Только для напитков на яичном белке.

Угадай с кислотой. Кислота помогает стабилизировать пену яичных белков. Бармен Эндрю Кэмерон говорит, что для большого замеса Pisco Sours ты можешь предварительно взболтать яичные белки со сливками тартар / с винным камнем и затем добавить при взбалтывании коктейля, эту пену вместо свежо-взбитого яичного желтка.

Используй сифон для взбитых сливок. Яичная пена представляет собой эмульсию. Но она содержит не только воду и масло. Так же важную роль в текстуре играет воздух. Для того, что бы гарантировать удивительно гладкую пенку, используй взбиватель ISI заряженный N2O, для того, что бы приготовить идеальную пенку для Ramos Gin Fizz.

Для напитков из целых яиц.

Очень жирный. Сухое встряхивание целого яйца не поможет для формы пенки, но это позволит тебе получить эмульгирование яйца с меньшим количеством таяния льда. Если твой напиток получился немного водянистым, тогда не бойся добавить одну или две барных ложки растительного масла. Напитки на яйцах представляют собой эмульсии и это является правильным балансом между жиром и водой, что и создаёт идеальную текстуру.

Волшебные порошки. Обрати своё внимание на растительный сироп, если у тебя имеется такой, или добавь чу-чуть гидроколлоидной ксантиновой смолы, бактерия, полученная загустителем, часто используется в безглютеновой выпечке и весь секрет кофейных напитков во взбитых сливках.

Миф № 5. Взбалтывание мартини с джином “Bruises”.

Дело в том, что взбалтывание напитка быстро достигает равновесной температуры и она значительно ниже точки замерзания воды. Для взболтанного напиток, чтобы достигнуть той же самой температуры, бармен должен взбалтывать его в течение почти 2 минут.

Из-за физики и массы, более холодный напиток превращается в более разбавленный, так как лёд не охлаждает, а просто тает. В тесте разработанным Гизмодо, перемешанный коктейль был готов на 48 раз, а его взболтанный близнец на 65 раз.

Получишь ли ты холодный и хорошо взболтанный напиток, если будешь его долго трясти?

Эти два напитка, вероятно, будут разные на вкус, потому что из-за сильного встряхивания напиток станет газированным. Несмотря на то, что крошечные пузырьки, которые влияют на текстуру, относительно быстро рассеются, на молекулярном уровне атмосферный кислород и углекислый газ будут оставаться растворенными. Остается вопросом, это ли даёт такой заметный эффект на вкус, но конечно это вполне возможно.

Эти маленькие лакомые кусочки льда, действительно только верхушка айсберга… ну, ты знаешь. Я считаю, что всегда нужно знать, как именно делается твой напиток. Имей ввиду, что реальные факторы, такие как изделия из стекла, комнатная температура, даже влажность, могут повлиять на твой результат.

Что ты вообще знаешь про науку коктейля? Есть ли вопросы про лёд в напитках? Не стесняйся поделиться своим опытом или рассказать мне о своих совершенно неправильных познаниях в комментариях.

Отдельное спасибо Майку, Ангусу, Эндрю, Дугу и Джимми за помощь в создании этой статьи.

Свободный перевод статьи от Kevin Liu специально для читателей нашего блога.

Источник