¿El agua se expande uniformemente en un recipiente rígido que está abierto por un extremo?

Digamos que hay un contenedor semirrígido (de plástico, digamos). Se llena al 90% con agua y se coloca en un congelador en posición vertical. La parte superior del contenedor está abierta. Cuando el agua se congela, entiendo que se expande de manera más o menos uniforme en todas las direcciones: https://www.reddit.com/r/askscience/comments/278z5x/when_water_freezes_does_it_expand_uniformly_in/ Así que mi pregunta es: ¿el hielo dejará de expandirse uniformemente una vez que llega a las paredes del recipiente? ¿Se expandirá solo a lo largo de un eje una vez que llegue a estas paredes?

También sé que el agua se congela de arriba hacia abajo debido a los cambios de densidad al congelarse: ¿ Por qué el agua se congela de arriba hacia abajo ? Entonces, me imagino que el agua se congelará en la parte superior de la línea de flotación y luego el bloque de hielo será empujado. hacia arriba en el recipiente mientras continúa congelándose. ¿Es esto cierto? ¿Las paredes laterales no experimentarán presión a menos que el recipiente esté cerrado? ¿O el contenedor todavía sobresaldrá por los lados? Si se abulta, ¿qué hace que el hielo continúe expandiéndose hacia las paredes laterales?

No creo que "el agua se congela de arriba a abajo" sea una afirmación correcta. Se congela donde hace frío. Y también la velocidad de enfriamiento es importante.
Lo siento, entiendo eso. Creo que el dicho "de arriba a abajo" proviene de observar cómo se congelan los lagos. El suelo actúa como aislante, por lo que la parte superior del agua se congela primero. Esto también se puede observar en recipientes de paredes gruesas.
Del video, parece que el agua en contacto con cualquier pared del recipiente se congela primero y empuja el agua hacia afuera. Muy interesante. La botella no parece abultarse en absoluto durante este proceso.

Respuestas (1)

Aquí está mi entendimiento: dependerá de la forma exacta del contenedor y las propiedades conductoras de las paredes.

Como dices, la superficie del líquido se congelará primero. Hay dos razones para esto. En primer lugar, el agua a 0 °C tiene menor densidad que el agua a 4 °C, por lo que "el agua fría sube a la superficie". Y dado que el agua más fría se congelará primero (salvo los efectos de la nucleación), la congelación comenzará con una película en la superficie.

Sin embargo, una vez que todo el líquido alcanza una temperatura de 0 °C, cualquier lugar donde el agua pueda perder el calor de fusión puede, en principio, convertirse en hielo. Si las paredes son suficientemente conductoras, eventualmente el agua adyacente a las paredes se congelará más rápidamente que el agua debajo del hielo en la superficie (a medida que la capa de hielo se vuelve más gruesa, comienza a actuar como aislante). Y una vez que tenga una región de hielo "en todos los lados del contenedor", el aumento de volumen que acompaña a una mayor congelación dará como resultado un aumento isostático en la presión dentro del "recipiente a presión de hielo". En principio, esto dará como resultado una presión en todas las direcciones, y dado que el hielo en la parte superior suele ser más grueso (y, por lo tanto, más rígido), puede imaginar que se aplicará más presión lateralmente.

Si el recipiente es poco profundo y/o las paredes son bastante aislantes, la congelación puede continuar de arriba hacia abajo. Eso depende...

Veo. Entonces, en un caso más extremo donde tiene un contenedor de acero de paredes delgadas (es decir, el contenedor es muy conductivo térmicamente), definitivamente habría problemas de presión en las paredes del contenedor. Además, el recipiente que estoy imaginando es solo un simple tubo de paredes lisas que está cerrado en la parte inferior para que pueda contener agua.
Sí, eso es lo que entiendo.
Bajo ciertas condiciones se obtienen picos de hielo .
Pensé en la forma del contenedor un poco más. Si tuviera un recipiente en forma de cono con la punta hacia abajo, la congelación debería ocurrir de abajo hacia arriba debido al aumento de la relación superficie-volumen cerca del fondo y, como resultado, debería reducir significativamente la presión en las paredes laterales. ¿Esto suena correcto?
@jasonbcox si tiene suficiente conductividad a través de las paredes, entonces sí, eso alentaría el crecimiento de abajo hacia arriba. Pero sólo en recipientes pequeños, y si el agua ya está uniformemente a 0°C. Recuerde que en un recipiente más grande (lagos, etc.) el agua a 4 °C caerá al fondo (densidad más alta). Si comienza con agua "tibia", la forma del cono puede no ser suficiente para garantizar la congelación de abajo hacia arriba.