Creo que todos hemos experimentado este efecto. Abres la ducha y el chorro de agua en el cabezal de la ducha está un poco más caliente que el agua hacia el fondo del arroyo. Alternativamente, si salpica agua fuera del baño (soy un niño, lo sé), el agua se sentirá fría si la toca antes de que vuelva a caer en el baño.
Quiero saber con certeza por qué es esto.
La respuesta obvia parece ser el simple intercambio de calor termodinámico, pero señalaría algunas cosas por las que creo que esta no es toda la historia (aunque alguien puede argumentar lo contrario):
Mi opinión sobre el principal contribuyente al cambio de temperatura, y una explicación de cómo el agua podría incluso sobrepasar el equilibrio termodinámico, es que la gota/corriente de agua tiene que hacer una gran cantidad de trabajo en la atmósfera antes de llegar al suelo. Sin embargo, no sé cómo modelar esto matemáticamente y me gustaría tener una idea general de la cantidad de trabajo que se realiza en esta situación.
Otra cosa interesante en la que pensar, y estoy bastante en conflicto con esto, es si uno podría esperar que la temperatura de una gota de agua aumente a medida que gana velocidad. Por ejemplo, supongamos que el agua cae en el vacío y mantiene su formación de gotas, ¿aumentará la temperatura de la gota? Me parece que sí, aunque el lado de la energía potencial gravitacional de este pensamiento es preocupante. Sin embargo, ¿es ese efecto lo suficientemente grande como para ser relevante para esta pregunta?
Entonces, para generalizar la pregunta:
¿Cuál es un buen modelo matemático y termodinámico para explicar el cambio de temperatura del agua que cae? En particular, ¿cuál es el mayor contribuyente, el intercambio de calor o la pérdida de energía debido al desplazamiento de la atmósfera? Además, ¿aumenta la ganancia de energía cinética de la gota de agua (de una manera no neta) la temperatura de la gota en su conjunto? Además, supongo que todas estas explicaciones conducirían a cuál podría ser la temperatura final de una gota de agua después de caer una cierta distancia, por lo que tener una idea de cuánto cambio de temperatura también sería genial.
En primer lugar, sería mejor utilizar números reales medidos con precisión que la 'experiencia' humana: el cuerpo humano es un mal termómetro y la mente nos juega malas pasadas.
Pero que las gotas de agua caliente pierdan calor y se enfríen en el aire más frío es un hecho establecido y una consecuencia de las leyes de la termodinámica.
Con respecto a sus tres primeros puntos, a pesar de algunas limitaciones que señala, no significan que una gota de agua caliente no se enfríe en el aire: lo hace y en parte de acuerdo con la ley de enfriamiento de Newton .
En cuanto al trabajo realizado por la gota (superando el arrastre viscoso), en todo caso, eso conduciría a la generación de calor, no al enfriamiento (pero el efecto es realmente minúsculo).
La energía cinética o potencial de la gota no tiene efecto sobre la temperatura de la gota. La temperatura es simplemente una medida de la velocidad promedio de las moléculas del agua y que no se ve afectada por estas energías. Por ejemplo, hacer girar el agua en una ultracentrífuga no hace que aumente su temperatura.
Sin embargo, ha pasado por alto una de las principales causas de la pérdida de calor: la evaporación . Tu ducha se 'vaporiza' porque el agua caliente se evapora y eso cuesta energía, lo que se conoce como entalpía de vaporización .
Millones de toneladas de agua se enfrían de esta manera todos los días en las centrales eléctricas de todo el mundo: las torres de enfriamiento arrojan agua caliente desde la parte superior de las torres y el calor evaporativo enfría el agua (el agua evaporada se escapa como nubes de vapor).
Si su ducha ha estado en funcionamiento durante mucho tiempo y la temperatura del baño es igual a la temperatura del agua del cabezal de la ducha y el aire está saturado con vapor de agua, el agua de la ducha no se enfriará.
Aunque no estaría probando directamente el intercambio térmico, aquí hay una forma posible de al menos probar la teoría de la evaporación:
Encuentre una manera de hacer pequeñas gotas de agua, ya sea individualmente o en grupos lo suficientemente pequeños como para que no interfieran entre sí, y una superficie sobre la cual reposar esas gotas. Asegúrese de que puede controlar la temperatura del depósito de agua del que proviene el agua y que puede controlar la temperatura del agua hasta el momento en que el agua se forma en gotas.
Cree una superficie con temperatura controlada que brinde una visibilidad de contraste decente con las gotas de agua y en la que se imprimió una cuadrícula previamente medida para que pueda usarla para medir la escala. Usando video, posiblemente incluso video de alta velocidad, podría probar las tasas de evaporación para varios tamaños de gotas de agua y varias combinaciones de temperatura inicial de la gota y temperatura atmosférica. Es probable que desee controlar la humedad atmosférica en todos los experimentos.
Sería ideal si pudiera simplemente SUSPENDER las gotas en el aire, eliminando así el movimiento relativo al aire como una variable, aunque eso puede ser poco práctico. Podría ser posible nuclear gotas de agua en un hilo muy delgado (hilo dental o algo similar) para que el área de contacto con una superficie plana se minimice como una variable que podría dificultar la evaporación. He oído hablar de electroimanes extremadamente fuertes que incluso se han utilizado para magnetizar y hacer levitar elementos pequeños y no magnéticos, como fresas y arañas, sin dañar esos objetos, por lo que posiblemente también podría ser un medio, si es así. tu disposición.
En última instancia, este podría ser un excelente experimento para una misión de transbordador/ISS. Ojalá lo hubiera pensado hace veinte años.
hulk
Brionio
pescador