¿Por qué mis "cubitos de hielo de acero" tienen agua?

Recientemente compré cubitos de hielo de acero. Probablemente, un mejor nombre sea "cubos de acero con líquido no identificado", que supongo que es agua. Cuando abrí el paquete me sorprendió bastante que contenían algo de líquido. Pensé que iba a ser un cubo sólido de acero. Esto me hizo pensar, ¿cómo se comparan los cubos de acero con los cubos de plástico llenos de agua (o cubos de hielo normales)?

Volumen del cubo: V = ( 2   C metro ) 3 = 8 ⋅ 10 − 6 metro 3
Capacidad calorífica específica del hielo. C i = 2090 [ j k gramo ∘ C ]
Capacidad calorífica específica del acero. C s = 466 [ j k gramo ∘ C ]
densidad del hielo ρ i = 917 [ k gramo metro 3 ]
densidad del acero ρ s = 7750 [ k gramo metro 3 ]

Usé el límite inferior para la densidad del acero (desde la fuente).

Cubitos de hielo:
capacidad calorífica C = ρ i ⋅ V ⋅ C i ≈ 15.33 [ j ∘ C ]

Cubos de acero:
capacidad calorífica C = ρ s ⋅ V ⋅ C s ≈ 28.89 [ j ∘ C ]

Aunque utilicé el límite inferior para la densidad del acero, todavía tiene más capacidad calorífica que el hielo. A partir de esto, parece que tiene más sentido producir cubos de acero sólido, ya que enfriaría más su bebida.

¿Por qué mis cubos de acero (utilizados para enfriar bebidas) contienen (presumiblemente) agua?

¿Podría ser que los cubos de acero sólido transfieran su calor demasiado rápido? Por lo tanto, los fabricantes agregan agua en el interior, lo que reduce la capacidad calorífica pero hace que los cubos se enfríen durante un período de tiempo más prolongado. ¿O estoy interpretando mal los resultados de mis cálculos? ¿O tal vez mis cálculos están equivocados?

Fuentes donde obtengo valores:

https://en.wikipedia.org/wiki/Steel
https://www.cs.mcgill.ca/~rwest/wikispeedia/wpcd/wp/i/Ice.htm
https://gchem.cm.utexas.edu /data/section2.php?target=capacidades-de-calor.php

Cubitos de hielo de acero. Espero que no tengas amigos que habitualmente tomen mucho hielo.
... munch (creo que es lo que se quiere decir).
Creo que espera que el acero sea mejor en el almacenamiento de calor que el agua. En realidad, el agua es el mejor material de almacenamiento de calor conocido por volumen. Así que tus matemáticas están mal. Por capacidad calorífica volumétrica , el agua vence al acero (aunque el acero es el segundo entre los materiales comunes). Ver tabla aquí
Estos suenan como una gran mejora en las piedras de whisky anteriores, que eran de acero sólido.
Me pregunto cómo puede saber que tienen líquido, si están hechos de acero que no es transparente.
@ usuario253751 no sin relación, me pregunto si el agua se puso allí y se selló
@ChrisH: tengo piedras de whisky hechas de piedra (y completamente inútiles)
@user253751 Debe haber aire adentro para dejar espacio para que el agua se expanda cuando se congela. Entonces OP debe poder escuchar el agua cuando sacude los cubos.
@WoJ todos los sólidos son inútiles, pero algunos son más decorativos que otros
@NeilBartlett tiene razón. Uno puede escuchar y sentir algo de líquido dentro de los cubos si los agita. Y estoy totalmente de acuerdo con que la razón por la que no se llenan por completo (lo que probablemente haría que no se notara el líquido dentro) es que necesita espacio para cuando se expande. No estoy seguro, pero creo que el agua es solo uno de los pocos líquidos que se expanden cuando se enfría, por lo que uno puede adivinar con certeza que el líquido en el interior es agua. También se indica en la parte posterior del paquete que contienen líquido, pero no especifican qué tipo de líquido.
Es posible que sea una solución salina en lugar de agua pura. Eso deprimiría el punto de congelación (y aumentaría la capacidad de enfriamiento) sin agregar mucho costo. Algunas heladeras eléctricas usan soluciones salinas, aunque necesitan congelar el líquido con el que están en contacto en lugar de simplemente enfriarlo, por lo que la capacidad de enfriamiento es más importante para ellos.
Estoy de acuerdo en que, bajo la suposición optimista de que el fabricante quería que estos cubos fueran útiles, el fluido es algo más que agua corriente. Tal vez salinizado, o tal vez algún anticongelante no tóxico con una mayor capacidad calorífica que el agua. OTOH, los trucos como estos pueden contener agua pura, pero presumen de que calentar y derretir no diluirá tu bebida.
@ Harper-ReinstateMonica Su enlace en realidad confirma lo que el OP ha calculado, que el hielo tiene una capacidad de calor volumétrica más baja que el acero. No es una falla matemática, estás hablando de agua y ellos están hablando de hielo, aunque este punto está algo obsoleto por la respuesta aceptada.
@Rodney, pero cuando agrega el calor de fusión (sólido a líquido), el agua aún gana, a menos que esté tratando de mantener su bebida por debajo de 0 grados centígrados, lo cual dudo mucho. :-)
@Rodney sí, me equivoqué. Olvidé que el hielo sería diferente del agua líquida.
"El líquido dentro de los cubitos de hielo es algo de agua (74,8%), glicerol (23%) y otros elementos químicos de calidad alimentaria (2,2%) que no son tóxicos y son seguros". - amazon.com/Kollea-Stainless-Reusable-Chilling-Whiskey/dp/…
De hecho, se vende una suspensión para refrigeración de PC que tiene mayor capacidad calorífica que el agua corriente. No recuerdo el nombre de la marca, pero lo vi hace unos años.
@Richard Algunos "cubitos de hielo de acero" disponibles en AliExpress y Ebay afirman que contienen una mezcla de agua y etanol. Una solución adecuada de mezcla de agua y etanol permanecería líquida a la temperatura del congelador doméstico (~ -18 ºC). Por supuesto, una solución de agua y etanol podría ser algo más tóxica que una solución de agua y glicerol, pero, en un enfoque solo termodinámico, creo que sería más eficiente que el agua y el glicerol. Parece muy improbable que un cubo de acero como ese se perfore con el uso normal. Y, después de todo, a veces se usará en una bebida que es una solución de agua y etanol en sí misma.
@JDługosz Hay varias soluciones de agua y algo más que se comporta mejor que el enlace de agua simple . Parece que la solución de formiato/acetato de potasio es la mejor (la tabla del artículo enlazado carece de una columna de capacidad calorífica volumétrica, que se debe obtener multiplicando los valores de las dos últimas columnas).
Por cierto, miré un producto como este, ¡y los cubos de metal están llenos de anticongelante! No obtiene el enorme almacenamiento de código del cambio de fase, ni su capacidad para mantenerse a la temperatura de congelación.

Respuestas (1)

El agua se descongela a 0°C. El calor latente de fusión del agua es L i = 344000 J/kg, lo que significa que para descongelar el agua congelada dentro de sus cubos se requiere mucha, mucha más energía de la que está contando. El acero, por otro lado, no sufre tal transformación de fase ( editar: a temperaturas cómodas para beber), por lo que no puede invocar la magia de las transformaciones de fase para enfriar sus bebidas.

Para ponerle algunos números: ¿qué tan frío tendría que estar un cubo de acero sólido para absorber tanto calor como el mismo volumen de hielo derretido? Queremos

ρ s C s V Δ T = ρ i L i V ⇒ Δ T = ρ i L i ρ s C s = 87.3 ∘ C .
Entonces, para igualar el rendimiento de un cubo de hielo que se derrite a 0 °C, su cubo de acero tendría que comenzar a -87 °C más o menos, lo que claramente está fuera del alcance de los congeladores domésticos.

Bueno, el acero se derrite. Pero probablemente desee evitar cualquier bebida lo suficientemente caliente como para derretir el acero.
@d_b: No sé, me gusta el café bien caliente.
¡Buen punto! Entonces, ¿cuál es la razón por la que se utilizan cubos de acero para enfriar bebidas? El acero conduce el calor más rápido que el agua y tener agua adentro hace que se enfríe por más tiempo en comparación con un cubo sólido de acero. Entonces, ¿supongo que hay una compensación deseada aquí? O tal vez la única razón es que se ven más geniales (juego de palabras).
@ludz El objetivo de estos cubos es obtener el efecto refrescante del derretimiento del hielo sin diluir su bebida con el hielo derretido (agua).
@Javier Creo que la pregunta es más sobre el cubo de acero lleno de líquido frente al cubo de plástico lleno de líquido, "¿cómo se comparan los cubos de acero con los cubos de plástico llenos de agua", que sospecho que el acero sería mejor debido a la transferencia térmica?
"La magia del [calor latente]"... ¿detecto otro fan de Technology Connections?
@NeilBartlett: Estaba en calor latente antes de que se enfriara.
(Pero disfruto los videos de Tech. Connections)
@lutz Para una aplicación de ejemplo, intente buscar 'piedras de whisky' (aunque tradicionalmente son solo piedras sólidas). Hay algunas bebidas que las personas no tolerarán que se diluyan con agua del hielo derretido, pero no les preocupa inherentemente estar tan frías como lo estarían con hielo.
@phflack Steel conduce el calor mejor que el plástico, por lo que los cubitos de hielo recubiertos de acero absorberán la energía térmica más rápido, enfriando la bebida más rápido. Pero se enfriaría más rápido solo con hielo, ya que no habría ninguna capa adicional para conducir el calor. El acero es una opción decente para un contenedor de cubitos de hielo, pero en realidad es solo un contenedor que contiene el hielo derretido y evita que la bebida se diluya; cualquier capa adicional en realidad retrasará el enfriamiento de la bebida (aunque la elección del acero minimiza este efecto) .
y si el cubo de acero estuviera a -87°C, probablemente congelaría parte o la totalidad de la bebida, lo que probablemente no sea deseable. El cubo lleno de hielo a -18 o menos probablemente no congelará nada de la bebida, pero enfriará la bebida en su totalidad en la misma medida.
Por cierto, miré un producto como este, ¡y los cubos de metal están llenos de anticongelante! No obtiene el enorme almacenamiento de código del cambio de fase, ni su capacidad para mantenerse a la temperatura de congelación. Solo obtiene la capacidad calorífica ordinaria del agua + aditivos.
@NuclearHoagie "Pero se enfriaría más rápido solo con hielo": un solo cubo de acero se sumerge por completo mientras que un solo cubo de hielo permanece a flote, soy demasiado tonto para calcular si eso marca la diferencia. Además, se podría mecanizar un cubo de metal que derrita el hielo más rápido de lo que se descongelaría el agua por sí sola, todo se reduce a aumentar la superficie más que el efecto de aislamiento de la barrera.
@ user3819867 Me imagino que el aspecto del fregadero frente al flotador no hará mucha diferencia; de cualquier manera, hay una cara del cubo que es básicamente inútil para la transferencia de calor. Con un cubo flotante es la cara superior, con un cubo hundido es la cara inferior. Solo una pequeña cantidad de hielo flota fuera del agua por completo.
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