Hallo, bei welcher Einwirkzeit und Temperatur friert ein Schwimmbecken mit der Tiefe 2 m und einer Wasseroberfläche von 100m2 bis zum Grund ein? Es ist eine allgemeine Frage bitte nicht ortsbezogen antworten.
Hi,
Wir brauchen aber einen Ort, weil von der Höhe über dem Meeresspiegel die Temperatur abhängt, bei der das Wasser gefriert, und von der Temperatur hängt Die Zeit ab, die es dauert.
Die Franzi
Wenn du unbedingt eine Ortsangabe brauchst um die Frage beantworten zu können dann sagen wir mal Oimjakon in Sibirien.
hi,
ich hätte vermutet, dass die Seitenwände und die darüber abgegebene Wärme deutlich mehr Einfluss hätte.
Aber bin auf dein Ergebnis gespannt.
grüße
lipi
Ja, das umgebende Erdreich, dessen Temperaturverteilung und der Wärmewiderstand der Wände sind unbekannt und unkalkulierbar.
Dazu kommt noch, dass die Bewölkung und der Wind einen großen Unterschied ausmachen.
Es fehlt auch noch die Angabe, ob sich Kristallisationskerne im Wasser befinden und ob es sich bewegt.
Physikalisch kann man die Frage beantworten bzw. berechnen. Mittlerweile habe ich eine Idee wie ich auf die Lösung kommen aber mir fehlt immer noch eine Idee wieviel Leistung erbracht werden muss um 1 Liter Wasser um 1 grad Celsius zu kühlen. Ich weiß das bei 1 bar Druck um 0 Grad Celsius Wasser zu Eis wird. Da es zu Verunreinigungen im Wasser durch die Luft etc. vorkommt wird 1 Liter Wasser zwischen -1 und -3 Grad Celsius sicherlich Eis bei einer Einwirkzeit kleiner 2 Stunden. Die Einwirkzeit ist Volumenabhängig 1 liter Wasser wird schneller Eis als 100 Liter Wasser bei gleicher Außentemperatur.
hi,
Energie verschwindet nicht.
Die Energie die das Wasser ‚aufgenommen‘ hat um 1K wärmer zu werden, müsste da auch wieder raus.
Denk an Kelvin, falls du irgendwie in Gedanken daran hängst, dass du ja in den Negativen Bereich kommst (bei °C).
falsch ausgedrückt.
die Oberfläche ist hier der relevante Punkt, nicht das Volumen.
Willst du es nicht lieber mit einem theoretischem Beispiel versuchen, welches so praktische Probleme erstmal ausblendet?
grüße
lipi
1 Like
guter Ansatz
dazu noch die Energie, um 1 Liter Wasser von null grad zu 1 Liter Eis zu null Grad zu verwandeln. Wobei das mit dem Liter auch noch minimal anders laeuft, besser mit Masse rechnen, oder Ausdehnung beachten.
Aber sicher doch.
Dazu ist eine ganz exakte Beschreibung der Umgebung notwendig.
Zunächst einmal die Einfassung des Beckens:
Da benötigt man den Wärmewiderstand der Wände und des Bodens.
Zur Berechnung der Konvektionsströmungen muss man die genau Beckenform kennen, dazu die Rauhigkeit der Wände und des Bodens.
Dann das umgebende Erdreich:
Wie warm ist das Erdreich in den jeweiligen Tiefen?
Welche spezifische Wärmekapazität hat das Erdreich in den jeweiligen Tiefen?
Welchen Wärmewiderstand hat das Erdreich in den jeweiligen Tiefen?
Nun zu dem, was über dem Wasser passiert:
Welche Temperatur und welche Feuchtigkeit hat die angrenzende Luft?
Ist es absolut windstill? (Hinweis: Mit Wind ergeben sich nahezu chaotische Wellen, die eine Berechnung nahezu unmöglich machen.)
Darf man vereinfachend von „ständiger Nacht“ ausgehen? Wenn nicht, muss neben dem Standort auch das Startdatum bekannt sein, dazu die genauen Wetterbedingungen über den gesamten Versuchszeitraum.
Darf man von klarem Himmel ausgehen oder muss mit Bewölkung gerechnet werden? Mit Bewölkung wird es nochmals komplizierter. Das Wasser nimmt von der Umgebung Strahlungswärme auf und gibt auch Strahlungswärme ab. Ein klarer Nachthimmel ist ein großes Loch für die Aufnahme von Strahlung, während auch kalte Wolken Strahlungswärme zum Wasser schickt. Welche Farbe haben eigentlich Wände und Boden (bitte auch die IR-Absorption angeben!)?
Und dann kommst du mit:
Und stellst gleich am Anfang eine widersinnige Frage:
Warmes Wasser kühlt bei Kontakt zu kälteren Stoffen von ganz alleine ab, es gibt dabei Energie ab und es muss gar keine Leistung aufgebracht werden.
In einem quaderförmigen Gefäß aus Kupfer mit den Seitenlängen 1dm x 1dm x 1dm? Kann schon sein. Worin befindet sich denn das Kupfergefäß? In Luft mit -1°C? Oder in einem Eisbad mit konstant -1°C?
100l Wasser, die man auf einer 100m² großen Fläche verteilt und über Nacht bei klarem Himmel im Winter bei +2° Lufttemperatur im Freien lässt, werden am Morgen gefroren sein.
1l Wasser, den man bei gleichen Bedingungen im Freien lässt, der sich aber in einem handelsüblichen 1l-Messbecher befindlich, wird am Morgen flüssig sein.
Ein 2m tiefer Swimming-Pool wird selbst nach Wochen mit Temperaturen unter dem Gefrierpunkt nicht durchgefroren sein, wenn das umgebende Erdreich ihn wärmt.
3 Like
Du hasst ja ein Roman geschrieben, so detailliert muss das nicht berechnet werden. Es geht nicht um plus minus 1-2 Grad Celsius. Auch wenn man alle genannten Aspekte in Betracht zieht wette ich das man zumindest 0.1 Grad Celsius Abweichung zu der Realität bekommt. Wie willst du die Zeit berechnen wenn du die Leistung nicht hast?
Ich glaube das so ein Schwimmbecken oder Teich in Oimjakon in Sibirien bis zum Grund einfriert.
hi,
die Frage war nicht ob, sondern wie lang es dauert.
und das ‚wie lang‘ wird nun leider von allem beeinflusst, was um das Becken herum passiert.
Wenn da ein blödes Rentier rein pinkelt, dann dauert es schon wieder länger.
Wenn der Boden um das Becken 5°C wärmer oder kalter ist, wird das die Zeit beeinflussen.
Definitiv wird es durchfrieren, wenn die Umgebung unter 0°C hat und keine Wärme irgendwo her kommt. Das wird auch bei nur -5°C geschehen. Es ist aber ungewiss wie viele Monate, Jahre oder Jahrzehnte es dauern wird, wenn das Wasser aus den Wänden des Beckens gewärmt wird und diese auch erst soweit abkühlen müssen, bis das Wasser letztlich kalt genug wird.
Du wirst sicher zustimmen, dass ein Kunststoffbehälter mit mit einem Liter Wasser (beides 20°C) schneller durchfriert als ein massiver Betonkübel mit dem gleichem Liter Wasser (wieder beides 20°C).
grüße
lipi
1 Like
Du erkennst noch nicht, wie kompliziert das ist?
Ein theoretisches Modell, welches so genau die notwendige Lufttemperatur vorhersagen soll, um ein gegebenes Becken in einer vorgegebenen Zeit bis zum Grund gefrieren zu lassen, dürfte eine Mammutaufgabe sein.
Das ist absolut illusorisch!
Eis hat eine geringere Dichte als Wasser, es schwimmt also oben. Dadurch behindert es den Wärmeabtransport durch Strömungen im Wasser ganz erheblich. Überhaupt: Ist das umgebende Erdreich über 0°C, dann wird Wasser an den Rändern aufsteigen und in der Mitte absinken. Das könnte für eine schnelle Durcheisung sogar behilflich sein. Bei kalten Beckenwänden könnte sich eine Schichtung ergeben, dann passiert lange erstmal gar nichts mehr. Sind die Beckenwände deutlich kälter als 0°C, so wird das wieder für eine Zirkulation förderlich sein. Wie schnell es zirkuliert, hängt von der Beschaffenheit der Wände ab.
Und die Wärmestrahlung möchtest du ganz vernachlässigen? Sie ist das, was dafür sorgt, dass auf den Autoscheiben am Morgen Eis ist, obwohl die Luft während der ganzen Nacht über 0°C hatte!
Luft hat eine ganz geringe Wärmekapazität, bezogen auf das Volumen.
Etwas Wind, schon gibt es eine zigfach höhere Wärmeabgabe, denn auch die Oberfläche des Wassers wird durch die Wellen größer (so lange, bis sich eine Eisschicht gebildet hat).
Du wolltest Leistung aufbringen. Das Gegenteil ist notwendig, die Leistung bringt das warme Wasser von ganz alleine auf.
Tatsächlich geht alles in deiner Frage darum, wie groß die Leistung ist, mit der das Wasser Wärme an die Umwelt verliert.
Deine 200m³ Wasser betrachte ich einfach mal stark vereinfacht als 200t Wasser. Du hast ja nicht gesagt, bei welcher Temperatur es 200m³ sind.
Um 200t Wasser von 0°C aus dem flüssigen in den festen Aggregatzustand zu bringen, müssen 66,7 GJ Wärmeenergie aus dem Wasser raus.
Das sind umgerechnet und gerundet 18528 kWh. Es ist die selbe Energie, die ausreichen würde, den selben Pool von 0°C auf 80°C zu erhitzen.
Da du ja auch selber rechnen möchtest: Berechne doch erst einmal den Verlust durch Wärmestrahlung. Stefan-Boltzmann Gesetz für zweidimensionale Körper hilft dir - zweidimensional gilt aber nur bei spiegelglatter Wasseroberfläche!
Dann muss du berechnen, welche Wärmestrahlung gleichzeitig aus der Umgebung auf die Wasseroberfläche trifft. Da kommen wir nun an den ersten kritischen Punkt: Wolken oder nicht? Tag oder Nacht?
Ich klinke mich hier aus, meine Physikkenntnisse aus dem Abi-LK reichen nicht ansatzweise, um das abschätzen zu können. Da sich hier während des Vorgangs zudem viele Größen ständig ändern, gehört noch ein guter Schuss Integralrechnung dazu, die ich vor 29 Jahren sehr gut im Mathe-LK konnte, aber mittlerweile eingerostet ist.
4 Like
Ich finde es nicht schön und dreist von dir, dass du fast jeden Satz von mir kommentierst. Das Ziel sollte kurz und knapp das Ergebnis sein. Um das Volumen von 0 auf 80°C zu bringen braucht man nicht 18528 KWh sondern aufgerundet 18596 KWh Energie.
Ich krieg schon den Rest selbst hin, brauche deine Hilfe nicht!
Windmühlen 
grüße
lipi
2 Like
amen
2 Like
Warum denkst du so?
Ich zitiere einzelne Sätze, damit klar wird, worauf sich mein Kommentar bezieht.
Schade, dass du die Antworten nicht wirklich liest. Dein Ziel ist utopisch, deine Frage ist nicht zu beantworten.
Oh, hatte mein Vergleich, den ich zur Anschauung anführte, wirklich eine Abweichung von 0,37%?
Ist das relevant?
2 Like
Dieser Satz von dir ist eine absolute Frechheit. Wenn du keine Kommentare auf deine Sätze willst, schreib sie nicht. Wenn du deine Berechnungen lieber in einer selbstgebastelten Welt wie Pipi Langstrumpf machen willst, tu das und lass die Experten in Ruhe.
Niemand hat von dir verlangt, dass du komplizierte Berechnungen anstellst. Aber wenn du fragst, bekommst du hier RICHTIGE Antworten und nicht den Kinderkram, der dir nach Genuss von scheinwissenschaftlichen Sendungen wie Galileo und konsorten vielleicht vorschwebt. Wir sind hier nicht bei gutefrage und ähnlichem Fastfood-Mist.
2 Like