El baño de hielo siempre es 3C, ¿por qué?

Siempre he aprendido que una mezcla de hielo y agua debe alcanzar el equilibrio a aproximadamente 0C. De hecho, he intentado crear eso varias veces en diferentes contextos y siempre falla.

Primero, un baño de hielo en un recipiente de plástico. Obtengo 3C, ocasionalmente tan bajo como 2C con un termopar de multímetro. De acuerdo, esos son inexactos, así que probé un termómetro digital de Vernier con una precisión reclamada de 0.5C. Lo confirmé con un termómetro IR. Misma historia.

Pensando que quizás se deba al calentamiento del exterior, he metido el baño de hielo en un termo y lo he enfriado un rato. Misma historia. No estoy usando agua destilada, por lo que hay algunos minerales en el agua, pero en todo caso pensé que eso reduciría la temperatura del baño de hielo.

nist.gov/pml/upload/TN1411.pdf Existen algunos factores para producir un baño de hielo adecuado y lograr un verdadero punto de congelación o cero. Este documento los cubre.

Respuestas (2)

Hipótesis

Idealmente, el hielo y el agua deberían alcanzar un equilibrio a cero grados centígrados. Pero este equilibrio puede tardar mucho en ocurrir, según la configuración exacta.

Mirando una configuración típica suya, el hielo flotará en la parte superior del recipiente y hay agua (pero no hielo) en la parte inferior. El agua es más densa en ∼ 4 grados centígrados, y esa agua se hundirá hasta el fondo del recipiente. El agua en la parte superior está en contacto con el hielo y, por lo tanto, debe estar cerca de los cero grados centígrados o enfriándose.

Así que me imagino una situación en la que tenemos hielo y agua fría encima, cerca de la superficie (que tiene que estar en equilibrio con la atmósfera, pero dejemos eso por ahora). También hay agua fría en el fondo del recipiente (a 4 grados centígrados o menos), con un gradiente de temperatura que conduce a la parte superior. El perfil de temperatura real dependerá de todo tipo de física de no equilibrio que tenga que ver con la forma/tamaño/conductividad del recipiente, el tamaño de los cubos de hielo, etc.

Mi conjetura es que, dado que habría sumergido el termómetro a una profundidad significativa en el recipiente (tal vez cerca del fondo), está midiendo la temperatura para estar más cerca de 4 grados centígrados que de cero centígrados.

Prueba

Si mi hipótesis es correcta, al remover el contenido del recipiente, debería poder establecer corrientes de convección que enfriarán el contenido de manera más uniforme. Es posible que desee tener cuidado de no revolver el recipiente con demasiada fuerza, ya que eso calentará el contenido. Creo que una agitación suave debería hacer el trabajo sin infundir mucho calor en el sistema, al menos en el nivel de precisión de sus mediciones.

Buena llamada, esta. La necesidad de remover se puede aliviar usando suficiente hielo picado para tener pedazos de hielo apilados hasta el fondo.
De hecho, intenté mantener el termómetro en la capa de hielo exactamente por esa razón. Si agitar la mezcla impartiera demasiado calor, ¿no tendría que derretirse el hielo antes de que la temperatura pudiera aumentar?
@Dov Probablemente no tengas que preocuparte por eso: what-if.xkcd.com/71
@Dov: tengo curiosidad por ver si hay un gradiente de temperatura. ¿Puedes comprobar eso?
Además, el mismo razonamiento se aplica a por qué la superficie del agua se congela en las regiones árticas, pero el agua debajo no se congela y sustenta la vida.

La calibración de los dispositivos digitales se desvía.

Al calibrar algunas sondas de temperatura para un experimento con neutrinos, usamos un baño de hielo con agua desionizada. Los cuatro termómetros digitales de laboratorio que encontramos (todos reclamando entre ± 0.05 -- 0.25 ∘ C exactitud) leer entre − 0.5 y + 1.8 ∘ C . Claramente, algunos estaban fuera de su supuesta incertidumbre.

Luego bajamos al almacén de química y compramos un dispositivo recién calibrado que decía 0.05 ∘ C .

Un antiguo instrumento de expansión de mercurio de 18 pulgadas que encontramos al día siguiente decía 32.00 ± 0.05 ∘ F . Hay algo que decir sobre las viejas costumbres.

Una lección aquí es que debe tener cuidado con la confiabilidad de los instrumentos a lo largo del tiempo.

+1! Creo que es muy importante tener esto en cuenta porque parece que tenemos prisa por preferir dispositivos "digitales" que tienen una precisión aparente de muchos puntos decimales, pero la precisión podría ser bastante mala, como usted señala. He visto a muchos estudiantes (de escuela/universidad) caer en este fetiche de precisión.
Yo no descartaría demasiado lo digital. El que compramos con la calibración al día estaba dentro de ese rango de cero. Y hay más de unos pocos dispositivos analógicos clásicos que necesitan que se verifique su calibración con regularidad. Es solo que el dispositivo sellado de mercurio en vidrio no se desplaza mientras pueda mantener la columna continua (y diviértase tratando de arreglarlo si la columna ^%@# alguna vez se separa). La verdadera lección es que los dispositivos que pueden exhibir desviaciones deben estar actualizados o no son confiables para la precisión reclamada.
El baño de hielo siempre es 3C, ¿por qué?
RespuestasAquíPolítica de privacidad1y, 0v