Un acertijo famoso es si un cubo de hielo se derrite más rápidamente en agua salada o en agua dulce. La respuesta es agua dulce, porque el agua que se derrite del cubo de hielo se hunde en el agua corriente y sube en el agua salada más densa. El hundimiento hace que la convección juegue un papel importante y la diferencia de tiempo es muy grande. ¿Ves que el hielo se derrite más lentamente en agua salada? y muchos videos, usando tinte, que se encuentran facilmente.
Pero, ¿qué sucede en el primer segundo, antes de que la convección tenga efecto? En una situación "pura" en la que solo se derrite hielo con agua salada frente a hielo que se derrite con agua corriente, ¿cuál derrite el hielo más rápido? En otras palabras, ¿cuál tiene la tasa instantánea de fusión más rápida desde el principio?
Un amigo y yo hemos hecho varios experimentos.
En un refrigerador a 35 grados, la historia general de fusión se invierte. Esto es de esperarse porque ahora el agua derretida flota en el agua corriente (y en el agua salada), por lo que permanece en la parte superior. Pero, ¿por qué exactamente el agua salada derrite el cubo mucho más rápido que el agua dulce? Esto parece indicar que en la situación pura, la sal es más rápida.
A temperatura ambiente, con agitación regular del agua, los cubos se derriten al mismo tiempo. Esto es desconcertante y aparentemente contradictorio con (1).
Hemos visto varias posibles explicaciones, pero a estas alturas no conocemos la verdadera historia. Es probable que ocurran varios efectos, pero ¿hay un efecto dominante que impulse la fusión en el caso "puro"?
Editado para responder al comentario de Sam Gerbil:
Caso clásico: Temperatura ambiente. El agua de deshielo flota en solución salina; entonces la solución salina es mucho más lenta (pierde).
En frigorífico: el agua de deshielo flota en ambos casos. Pero la solución salina gana por mucho. No está claro por qué. Tal vez porque la tasa de aumento del agua de deshielo es diferente debido a la diferente densidad. O tal vez la solución salina derrita el hielo más rápido debido a la depresión del punto de congelación (pero no tengo claro por qué esto afecta exactamente la transferencia de energía en general).
En el refrigerador, con hielo forzado al fondo del recipiente. Mi intento fracasó. Jim acaba de terminar un experimento con clavos congelados en el hielo para ganar peso. Esto funcionó muy bien y, nuevamente, la sal es un gran ganador.
Agitación: Jim lo probó a temperatura ambiente y afirma que las tasas de fusión son las mismas. Esto es un poco misterioso, ya que contradice el emocionante experimento. Quizás la agitación elimina el efecto de recongelación.
Una respuesta sugerida: Siempre he asumido que cuando el hielo se derrite en el agua salada, los iones disueltos de sodio y cloro interfieren con la fuerza de los enlaces H entre las moléculas de agua y el proceso simplemente se convierte en un tren fuera de control. Me encanta la idea de hacerlo en nevera para eliminar la convección.
Una dificultad es que la convección nunca se elimina por completo, por lo que es difícil estar seguro de que la sal derrita naturalmente el hielo más rápido. Pero ahora mismo eso es lo que parece. Las dos soluciones sugeridas son: la recongelación que se produce en el agua corriente ralentiza el proceso; los enlaces H se debilitan a causa de los iones de sodio y cloro.
Hemos realizado más experimentos y, para nuestra sorpresa, parece que el agua salada y el agua corriente derriten el hielo esencialmente a la misma velocidad, cuando se elimina el efecto de la convección. Jim Tilley realizó dos experimentos: (1) la clásica situación a temperatura ambiente, pero removiendo el agua con una cuchara cada 30 segundos; (2) todavía a temperatura ambiente, pero usando malla de alambre para colocar los cubos en el centro del vaso. En (2) el agua de deshielo caerá o se levantará del cubo. En ambos casos las velocidades de fusión fueron muy cercanas, dentro del error experimental. Otro contexto interesante es hacer el clásico experimento en un refrigerador. Luego, el agua de deshielo sube tanto en el agua corriente como en la salina. Pero no hay recongelamiento en la solución salina. En este caso, el agua salada derritió el hielo en 4 horas, pero el agua simple tardó más de 10 horas; tal vez 11 horas.
De vuelta a la caja del refrigerador. Para el agua corriente, se produce una cierta cantidad de recongelación en la interfase. Eso no sucede en agua salada debido al punto de congelación más bajo. El hielo adicional tarda en derretirse, y creemos que esa es la razón de la gran diferencia en los tiempos de derretimiento cuando el agua ambiental está justo por debajo de los 2 grados C (35 F).
¿Qué pasaría en gravedad 0? El agua derretida se quedaría alrededor del cubo de hielo y podría volver a congelarse, aunque no mucho debido a la temperatura ambiente del agua. Así que posiblemente la sal ganaría en este caso. Pero realmente no está claro. ¿Hay algún experimento terrestre que indique la historia de la gravedad cero? No estoy seguro.
En la prueba de 35 grados, las corrientes de convección son más bajas que a temperatura ambiente en ambos casos, pero aún mayores con agua pura. La diferencia absoluta puede no ser tanta, pero la diferencia proporcional sigue siendo significativa. Esa sigue siendo la explicación. Sería cierto incluso a 33 grados, porque incluso un poco de convección ayuda, y habrá menos (especialmente proporcionalmente como se acaba de mencionar) en agua salada. No creo que ninguna de las dos soluciones mencionadas tenga efecto. No hay recongelación; la temperatura a cierta distancia en la superficie está en el punto de fusión, ya que la transferencia de calor debe ocurrir en el punto de fusión durante un tiempo para la transición de fase entre sólido en congelación y líquido en congelación. Y la cosa que se funde es la misma en ambos casos, por lo que las propiedades también lo son.
Sin embargo, con agitación, realmente ha eliminado ese factor. Por lo tanto, deberían ser casi exactamente iguales, dependiendo casi por completo de su capacidad para proporcionar una mezcla equivalente. La viscosidad y la densidad (y, por lo tanto, también la viscosidad cinemática) del agua salada son bastante parecidas a las del agua.
Finalmente, hay otra forma de eliminar las diferencias de convección entre los casos. Eso es para eliminar la convección. Si tuviera un objeto que no se derritiera y midiera con precisión su temperatura en agua muy tranquila y en agua salada, los resultados básicamente regresarían. Un buen objeto sería el termopar en sí mismo, pero cualquier cosa donde la temperatura pueda tabularse con mucha precisión a través del tiempo. En ese caso, los coeficientes de conductividad térmica serían importantes. Y el agua salada no conduce el calor tan bien como el agua normal. (Nota: no estoy diciendo que esto sea un factor importante en los experimentos realizados hasta ahora; no lo fue. La convección domina la conducción incluso en flujos extremadamente bajos).
Parte del razonamiento para agregar esta última situación fue su pensamiento de "primer segundo". Debido a su menor coeficiente de conductividad térmica, los gradientes de temperatura en el agua salada son mayores para la misma cantidad de transferencia de calor, por lo que es menos eficaz. Parece razonable imaginar que incluso el primer momento (aunque menos de un segundo) sería más rápido para el agua normal.
Y la diferencia no es pequeña, % peor en la conducción del calor debido a la sal: https://thermtest.com/application/thermal-conductivity-of-salty-water-mixtures
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Sam
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