Уверен, что чисто интуитивно поведение льда вам будет казаться очевидным. Лёд в воде должен таять быстрее. Почему? Да просто потому что. Так кажется, так видится, так мерещится. При этом сюда же можно повязать логику, что при омывании водой происходит более интенсивная теплопередача и ледяному объекту будет легче получить энергию.
Другие версии отвергают идею воды и говорят, что лёд быстрее плавится в воздухе. Тут тоже сложно поспорить, ведь объяснение видится вполне подходящим. Частицы воздуха имеют большую активность и встречаются с поверхностью льда намного чаще, чем у жидкости. И пускай теплообмен затруднен из-за низкой плотности воздуха (на фоне воды), большее количество соударений приведёт к большему количеству переданной тепловой энергии для системы. В качестве аргумента тут обычно приводят обдув лобового стекла, где воздух интенсивно отмораживает наледь, тогда как жидкость работает очень медленно.
Удивительно, но вопрос не так прост, как кажется. Чтобы лучше понять этот процесс, полезно разработать модель, основанную на нашем жизненном опыте и на научной литературе. Ответ будет исходить из математики. Рассмотрим простой пример.
Тонкая нить удерживает небольшой ледяной шарик (диаметром 5 см), подвешенный к стенке сосуда.
В момент времени t = 0 лед находится при температуре плавления (T = 0 ° C), в то время как жидкость, заполняющая контейнер (воздух или вода), имеет температуру Ta = 20 ° C.
Мы предполагаем, что контейнер достаточно большой, чтобы температура жидкости оставалась постоянной. Сам контейнер считается адиабатическим. Движущей силой, вызывающей таяние льда, является тепловой поток от жидкости ко льду.
Несомненно, будет конвективный тепловой поток, и, поскольку контейнер закрыт и изолирован от окружающей среды, это будет естественная конвекция (нисходящий поток вокруг льда). Возможно, кроме того, будет поток теплового излучения между стенками контейнера (предполагается, что они имеют ту же температуру жидкости) и ледяным шариком. Тепловые потоки измеряются в ваттах. Температуры T и Ta остаются постоянными в течение всего процесса.
При математическом расчёте мы получим, что переменный коэффициент теплообмена h имеет порядок величины около 50 Вт/(м^2·°K) для воздуха и 10 000 Вт/(м^2·°K) для воды. Лучистый поток не имеет значения для воды, тогда как для воздуха он мал, но им нельзя пренебречь.
Коэффициент теплоотдачи при свободной конвекции h является фундаментальным параметром, определяющим разницу между воздухом и водой.
Это величина, которая показывает, с какой интенсивностью тепло передаётся от поверхности к окружающему воздуху (или другому газу/жидкости) за счёт естественных конвективных потоков, возникающих без использования вентиляторов, насосов или принудительного движения среды.
Если изобразить эти показатели на графике, то получится, что площадь под каждой кривой - это время плавления, которое, согласно этой модели, составляет 3 минуты в воде и 7,5 часов на воздухе. Разница колоссальная. Так где же лёд расплавится быстрее при прочих равных :)?
⚡ Ещё больше интересного в моём Telegram