Cientificosaficionados.com

hola amigos soy nuevo en este foro y espero que me ayudeis con una duda científica.
el otro día se me planteo el siguiente problema:
COLOCAMOS EN UN TUBO DE ENSAYO ANCHO UN CUBITO DE HIELO CON UNA PIEDRA ENCIMA PARA IMPEDIR QUE SALGA A FLOTE. A CONTINUACIÓN, AÑADIMOS AGUA. SI CALENTAMOS EL TUBO EL TUBO DE ENSAYO POR SU PARTE INFERIOR, EL CUBITO SE FUNDE Y EL AGUA APENAS SE CALIENTA. PERO SI LO CALENTAMOS POR LA PARTE SUPERIOR, OBSERVAMOS QUE EL AGUA DE LA SUPERFICIE HIERVE SIN QUE EL CUBITO DE HIELO SE HAYA FUNDIDO. ¿ COMO ESPLICAS ESTE HECHO?

entonces yo tengo dos teorias.
la primera se basa en un cuerpo al cambiar de estado su temeperatura no varía por lo que en el primer caso el cubito se funde pero cuando se esta produciendo este cambiode estado la temperatura no varía debido a que la energía termica se invierte en el cambio de la agregacion de las moleculas del agua por lo que el agua de arriba sigue en las mismas condiciones, y en el segundo caso calentamos en el agua al cambiar de estado su temperatura por la misma razon, a la que la energía termica se invierte en el cambio de la agregación de las moléculas del agua, por lo que el agua cambia de estado pero durante este periodo la temperatura no varía y el cubito de hielo no se funde.

la segunda teoría se basa en el fenómeno de la convección, el proceso por el cual se transfiere energía térmica de un punto a otro( líquido o gas) mediante el movimiento del propio fluido, esta teoría sería aplicada al experimento del tubo de ensayo.

espero que puedan darme otra teoría más cientifica o distinta o por lo menos decirme cual es la más apropiada.
gracias

No he hecho la prueba, pero como "experimento mental", la respuesta sería:

El agua es un mal conductor del calor. Si no hay convección, el calor no se difunde en el tubo con facilidad. Al calentar un extremo del tubo (el superior), el otro extremo (el inferior) permanece más frío.

Y no hay convección intensa porque el agua caliente es menos densa y no tiende a bajar a la zona más fría del tubo.

gracias por tu teoria pero mi profesor me dice que me base en la convección como teoría principal ya que el agua se calienta con un soplete hasta llegar a hervir

Ese es un experimento clásico sobre la convección.

El agua caliente es más ligera que la fria, luego tiende a subir (principio de Arquímedes)

Si se calienta por abajo, el agua caliente hace todo el ciclo del tubo de ensayo, distribuyendo el calor. Pero si se calienta por arriba, se queda donde se calienta y el calor no se distribuye. El hielo inferior tiene más inercia a derretirse por tanto.

"gracias por tu teoría, pero mi profesor me dice que me base en la convección como teoría principal ya que el agua se calienta con un soplete hasta llegar a hervir"


Pues tienes un problema. No sé qué haría en tu caso porque muchas veces ir contra los profesores no es muy conveniente.

Trata de argumentar que el mecanismo de circulación del calor en el tubo, que esencialmente es por convección (como él quiere que sea), lamentablemente se ve interferido porque se calienta el extremo superior en vez del inferior y el agua caliente no puede bajar. Es decir, no se puede formar la "corriente de convección", que es el mecanismo concreto del fenómeno de la "convección" a secas.

En realidad es lo que quieres demostrar, ya que el hielo en la parte baja no se derrite porque las corrientes de convección no se producen, aunque la parte superior pueda llegar al punto de ebullición (si el tubo es suficientemente largo).

Más en detalle, el experimento es más complejo que eso; también se aprovecha el hecho que el hielo necesita una cantidad de calor bastante importante para cambiar de la fase sólida a la de agua líquida, por lo que mantiene la parte inferior muy fría hasta derretirse por completo, a pesar que la parte superior se agita caóticamente por la ebullición. Esa parte del fenómeno no tiene que ver con las corrientes de convección, es otro fenómeno.

El principio de bloqueo natural de las corrientes de convección por inversión de la temperatura, se aprovecha en los acumuladores de agua caliente sanitaria en las salas de calderas de los edificios con este servicio central.

El serpentín de calentamiento del depósito acumulador se pone en la parte baja o media y el agua fría ingresa siempre por abajo, mientras que la ya calentada va saliendo por arriba. Lo importante es que no se mezclan y si no sale agua caliente, la caliente permanece caliente por mucho tiempo, a pesar que tenga una parte de abajo mucho más fría. Esto funciona así durante las horas en que la caldera está apagada (la noche) y permite ahorrar energía.

Al final se enfría, lógicamente, porque la convección no es el único mecanismo y la conducción también intercambia calor, un poco por el agua y sobre todo por las paredes metálicas del depósito.

En tu planteamiento al forzar la posición normal del hielo con un peso estas rompiendo la corriente de convección natural y debido a la estratificación que estas generando el agua llega a hervir si la calientas por la parte superior ya que la misma piedra hace de barrera térmica no dejando fundir el hielo.

_________________
Todo lo que se se lo debo a mi ignorancia...

Agua caliente subir hacia arriba.
Agua fría bajar hacia abajo.
Si haber agua fría abajo y agua caliente arriba, no haber circulación por convección.
Pasar lo mismo con el aire.
Saludos.

_________________
Constitución Española:
Todos los españoles tienen el deber de trabajar y el derecho al trabajo.
Todos los españoles tienen derecho a disfrutar de una vivienda digna y adecuada.
y ...han pasado del gris al amarillo, con la mala suerte que trae este color.

entonces podríamos decir que el fenomeno no se basa en todo por la conveccion, por que la primera teoría de que un cuerpo al cambiar de estado su temperatura no varía tambien sería correcta o no¿????

gracias, sigo esperando alguna teoría diferente de todas formas

por que la teoría de la indeterminacion de heisenberg no valdría no¿?

"entonces podríamos decir que el fenomeno no se basa en todo por la conveccion, por que la primera teoría de que un cuerpo al cambiar de estado su temperatura no varía también sería correcta o no¿????

gracias, sigo esperando alguna teoría diferente de todas forma"

Creo que el tema se te ha explicado de varias formas y más que sobradamente.

Yo mismo te he dicho que el experimento contiene dos fenómenos; la falta de convección porque la parte caliente, menos densa, está arriba y la fría está abajo y adicionalmente lo que tu incluyes, que al cambiar de estado el hielo no cambia su temperatura. A esto último debes agregar que el cambio de estado requiere disponer de energía calórica, que el hielo toma del agua circundante y por eso la mantiene cerca de 0º hasta que se funde completamente. Pero eso ya te lo he dicho dos veces.

Si quieres teorías más exóticas hay sitios por ahí que te pueden inventar la que prefieras. Aquí solo tratamos de ceñirnos a las leyes de la física. No sé cómo te podemos aclarar ese experimento todavía más de lo que ya hemos hecho.

Por lo mismo, es inútil que sigas esperando "teorìas diferentes" aquí, eso es un experimento más que elemental y no técnica aeroespacial. Y perdona la franqueza, pero creo que ya está bien.