Почему несладкий чай остывает быстрее, чем сладкий?

Мой ответ аналогичен ответу @SamLey в том смысле, что мы согласны с тем, что причиной является более высокая плотность водного раствора сахара. Но у меня немного другой взгляд. TL; DR Конвекция уменьшается в более плотном растворе, поэтому холодная вода, окружающая лед, уносится не так быстро и лед тает медленнее.

Все данные, которые я нашёл, показывают, что растворы сахарозы имеют более низкую удельную теплоёмкость, чем чистая вода, поэтому можно ожидать, что они будут остывать быстрее. (Но кто знает, как на это влияют компоненты чая.)

Я думаю, что наблюдаемый вами эффект обусловлен плотностью раствора сахарозы.

Если не учитывать компоненты чая, раствор сахарозы плотнее, чем раствор чистой воды. Когда кубик льда тает в растворе чистой воды, охлаждающая вода вокруг кубика опускается на дно стакана, а более тёплая вода на дне поднимается, поэтому теплопередача усиливается, так как более тёплая вода быстрее разрушает связи во льду.

Но в сахарном растворе более плотная вода остаётся на дне стакана и совсем не поднимается. Без конвекционных потоков, которые уносили бы холодную воду от кубика льда, он тает гораздо медленнее. Также обратите внимание, что этот эффект усугубляется тем, что из-за тающего льда раствор становится менее концентрированным в верхней части, поэтому вокруг льда он становится ещё менее плотным по мере таяния.

Поскольку более плотная и тёплая вода остаётся на дне стакана, вам кажется, что чай остывает медленнее. Это согласуется с вашим наблюдением: если вы переместите соломинку в середину льда, разница температур будет намного больше, чем в несладком чае.

РЕДАКТИРОВАТЬ: Эксперимент?

Интересным экспериментом было бы измерение температуры несладкого и сладкого чая со льдом без перемешивания с помощью термометра через фиксированное время, а затем повторное проведение эксперимента с перемешиванием каждые 30 секунд или около того. Я бы предположил, что постоянно перемешиваемый сладкий чай остынет быстрее, чем несладкий, но неперемешиваемый сладкий чай остынет медленнее, чем несладкий.

На самом деле лёд охладит горячий напиток быстрее, чем холодный.
Здесь происходит два процесса.

1. Лёд поглощает тепло из воды, охлаждая её за счёт теплопроводности (контакта) и конвекции (движения).


2. Лёд тает, поглощая огромное количество тепла, чтобы преодолеть скрытую теплоту плавления (то есть разрушить кристаллическую структуру льда). Таяние льда и связанное с ним поглощение энергии — самый важный фактор в охлаждении напитка.

Когда вы добавляете лёд в горячий напиток, он тает быстрее, и эта теплота плавления ускоряет охлаждение напитка.

Когда вы кладёте лёд в несладкий чай, его температура составляет около 100 градусов по Цельсию, и лёд начинает таять очень быстро. Когда вы добавляете в чай сахар, он сразу же остывает. Чтобы разрушить кристаллическую структуру, нужна энергия, и она берётся из чая, что приводит к небольшому, но существенному снижению температуры.

При более низкой температуре лёд тает не так быстро, что замедляет процесс охлаждения.

Конечно, со временем всё нагревается до комнатной температуры.

Кроме того, скорость теплопередачи (тепловой поток) зависит от разницы температур между горячим и холодным. Чем больше разница температур, тем быстрее происходит теплообмен.

TL;DR = Сладкий чай остывает дольше, потому что в нём гораздо больше ингредиентов, которые могут остыть.

Охлаждая несладкий чай, вы охлаждаете почти чистую воду (количество сухих веществ в чае незначительно). Как вы уже догадались, в стакане несладкого чая весом 12 унций требуется около 12 унций (по весу) жидкости для охлаждения, или 340 граммов (по массе).

В сладком чае по-южному (если вы имеете в виду именно такой «сладкий чай») соотношение чая и сахара составляет 2:1 (по объёму). В стакане сладкого чая объёмом 12 унций содержится 12 унций (по весу) чая и 5–6 унций сахара (по весу — 8 унций сахара по объёму = ~7 унций по весу). Таким образом, общий вес напитка составляет 18 унций или 510 граммов (по массе).

В этом примере сладкий чай на 50 % тяжелее несладкого! Для остывания этой дополнительной массы потребуется больше времени, потому что в ней гораздо больше ВЕЩЕСТВА, которое нужно охладить. Она занимает тот же объём, но в ней гораздо больше молекул, которые нужно охладить.

Усугубляющие факторы:

• Теплоёмкость в сравнении с удельной теплоёмкостью: Дело в том, что раствор сахара и воды имеет более низкую удельную теплоёмкость (на единицу массы), чем чистая вода, поэтому общая теплоёмкость сладкого чая составляет не 150 % от теплоёмкости несладкого чая, а где-то между 100 % и 150 %. Интуитивно можно предположить, что это где-то в диапазоне 130–140 %. Читайте о физике.В вопросе SE, ссылка на который приведена выше, можно найти подробную информацию об этом расчёте. Однако будьте уверены, что теплоёмкость раствора сахарозы выше, чем у чистой воды.


• Электропроводность: я не учитывал теплопроводность раствора, так как предполагаю, что из-за перемешивания чая разница в электропроводности между растворами незначительна, но этот расчёт тоже можно провести.


• Без перемешивания Конвекция: в сладком чае конвекция будет слабее, чем в несладком чае без перемешивания. В неперемешанном сладком чае плотный раствор сахарозы останется на дне, а холодная вода от тающего льда будет находиться на поверхности (это можно увидеть, если чай достаточно насыщенного цвета). Это замедляет охлаждение, так как холодная жидкость медленнее смешивается с тёплой. В несладком чае холодная жидкость опустится на дно, что будет способствовать конвекции и самоперемешиванию. Однако конвекция — это второстепенный фактор по сравнению с основным — общей теплоёмкостью напитка.

И в заключение хочу сказать, что подобные объяснения наглядно демонстрируют, насколько раздражает тот факт, что в американской системе мер унция используется как для измерения объёма, так и для измерения веса.