Wie lange benötigt Wasser um einzufrieren ?
Hallo,
mich würde Mal interessieren, ob es irgendeine Formel gibt mit der man ausrechnen kann, wie viel Zeit es benötigt, bis Wasser einfriert.
Ich habe zum Beispiel Gerade Wasser in eine Eiswürfelform gegeben und würde gerne wissen, wie lange ich warten muss, bis ich Eiswürfel habe.
Das Wasser hat ca. 10 ° C
Der Gefrierschrank ist etwa -18 ° C kalt.
Ein Würfel hat etwa ein Volumen von 4cm^3
2 Antworten
Es gibt Formeln, mir denen man ausrechnen kann, wie viel Wärmeenergie dem Wasser entzogen werden muss, (a) bis es auf 0°C abgekühlt ist, und (b) bis es dann auch gefroren ist.
Du ermittelst zunächst die Masse des Wassers für die Eiswürfel. Diese Masse multiplizierst Du für (a) mit den 10°C Temperaturdiffenz, und mit der spezifischen Wärmekapazität des Wassers. Für (b) multiplizierst Du die Masse mit der Schmelzenthalpie des Wassers.
Beide Kennzahlen des Wassers findest Du z.B. hier:
https://de.wikipedia.org/wiki/Eigenschaften_des_Wassers
Die Physik und die Rechenmethoden werden hier erklärt:
Um abzuschätzen, wie lange dieser Vorgang dauert, muss man überlegen, welche Wärmetransportleistung dafür zur Verfügung steht. Es kann jedenfalls nicht rascher gehen als der Gefrierschrank diese Menge Wärmeenergie aus seinem Inneren ins Freie pumpen kann. Diese Wärmetransportleistung ließe sich abschätzen mit dem elektrischen Anschlusswert des Gefrierschranks, malgenommen mit seinem thermodynamischen Wirkungsgrad, der vor allem von dem Temperaturgefälle zwischen Innen und Außen abhängt. In der Realität geht aber ein Teil dieser Leistung dafür drauf, die Wärme hinaus zu pumpen, die durch die Isolation des Gefrierschranks eindringt. Durch Messungen kann man herausfinden, was der Gefrierschrank tatsächlich schafft.
Wie der Rechenvorgang im Prinzip aussieht, kannst Du an diesen zwei Beispielen sehen:
Auch der leistungsfähigste Gefrierschrank kann das Wasser in der Eiswürfelform aber nicht schneller abkühlen, als die Wärmeenergie aus dem Wasser durch das Material der Eiswürfelform in die Luft drumherum fließt. Das geht um so rascher, je kleiner die Eiswürfel sind und je mehr Oberfläche sie also im Verhältnis zu ihrem Volumen haben. Um es zu berechnen, müsste man die Wärmeleitungsgleichung für die gegebenen Randbedingungen lösen. Das macht man mit einer Mathematiksoftware auf dem Computer. Falls das Wasser während des Abkühlens in dem Gefäß auch zirkuliert, wird das eine ziemlich aufwendige Simulation.
mich würde Mal interessieren, ob es irgendeine Formel gibt mit der man ausrechnen kann, wie viel Zeit es benötigt, bis Wasser einfriert.
Ja, das kann man theoretisch und zumindest näherungsweise berechnen. Das fällt in das Fach "Wärme- und Stoffübertragung". Allerdings ist diese Berechnung äußerst kompliziert und erfordert zudem, zunächst die näheren Umstände im Gefrierfach ziemlich detailliert zu erfassen.
Viel einfacher wäre es, das ganze mithilfe eines Versuches zu ermitteln.