The Thermodynamics of Ice Cream

We All Scream For Ice Cream

Introduction: Pure water freezes at 0.0⁰C and boils at 100⁰C. However, these values are altered by the presence of a solute (such as sugar or salt) in water. A solute is a substance that is dissolved into another substance (called the solvent). Colligative properties of solutions are those properties, like boiling point elevation and freezing point depression that depend on the number of solute particles present in solution.

Adding a solute, like salt, to water raises its boiling point from 100˚C to about 110˚C. The solutes dilute the number of water molecules at the surface of the water & thus more energy is required for the water to turn into a gas. This is called boiling point elevation. When you cook pasta in salted, boiling water, it will theoretically cook faster since it’s cooking at a higher temperature (110˚C vs 100˚C).

Adding a solute, like salt, to water also lowers the freezing point of water from 0˚C to about -10˚C or lower, thus the salt water has a lower freezing point than pure water and stays liquid at very low temperatures. When you add salt (or any other substance…sand, sugar) to water, it interferes with the orderly arranging of the water molecules into a solid and prevents the hydrogen bonds from forming. This is called freezing point depression.

You are probably familiar with some common examples of these effects: Antifreeze is used to lower the freezing point and raise the boiling point of your engine coolant (water); and salt is used to melt ice on the roads & keep it from re-forming. The greater the concentration of the solute (salt), the lower the freezing point of water.

How it works: To make ice cream, you’ll need to get the cream and sugar solution (ice cream ingredients) to freeze, which it does at -1 ºC. We will surround the ice cream ingredients with an ice/ salt mixture that will melt into a salty water solution and be at a temperature around -10˚C. This temperature differential will cause heat to leave the ice cream ingredients and flow into the ice/ salt solution. Eventually, enough heat will transfer out of your ice cream mixture to create your frozen treat.

While ice is cold enough to freeze the ice cream (ice’s temperature is lower than -1 ºC) it does not make great thermal contact with all the ice cream ingredients in the small bag & won’t remove enough heat. Liquid water would do a much better job than ice at surrounding the ice cream ingredients, but how do we get a cold, watery solution that stays a liquid at -10˚C? Add a solute (salt, sugar, sand)!!

As the ice/salt absorbs the heat from the ice cream mixture, it will phase change and start turning into cold water:

H2O (s) + Heat  H2O (l). As the ice continues to phase change, it draws heat from the ice cream ingredients and also the liquid water. Now the salty water can remain a liquid even though it’s -10˚C and this liquid is cold enough to freeze the cream. The water can drop in temperature to the ice temperature without freezing.

A few other tips: First, you may have noticed that ice cream isn’t a solid block of ice. It’s fluffy; a desirable texture. You can thank the air in the Ziploc bag and the sugar in the mixture for that. Air in the bag gets mixed into the freezing cream mix, expands the volume of the resulting ice cream, and makes it soft. The sugar prevents the cream/sugar solution from forming a hard block. As ice water forms in the solution, the leftover liquid becomes more and more concentrated with sugar. The more sugar in the liquid, the lower its freezing point becomes. So some of the cream will never freeze. It will stay liquid. This helps make the ice cream softer as well.

Lab Questions/ Data: ICE CREAM LAB- ANSWER ON YOUR OWN PAPER!!

Purpose: To investigate how adding salt to water changes its boiling point & freezing point.

Lab Questions:

How does adding a solute (like salt) to water affect the boiling point of the solution? Explain
Besides taste, why would a cook add salt to boiling water?
Water in the ocean does not freeze at 0°C like pure water does (remember the ice burgs are pure water)… Why is this?
Why does a town like GEORGETOWN, KY put salt on the roads in winter?
DRAW the set-up of the lab and indicate with an arrow the direction heat being transferred.
What is the solute and solvent in the small baggie?
What is the solute and solvent in the large baggie?
Explain why you are adding sodium chloride (salt), to the ice.
How do particles arrange themselves in a solid? (draw it)
How does salt affect the arrangement of water molecules into a solid? (draw it & explain)
Describe two ways to make your ice cream have a fluffy, desirable texture.
What does this lab have to do with thermodynamics?

Termodinámica y helado

Introducción: Agua pura se congela a 0.0⁰C y hierve a 100⁰C. Sin embargo, estos valores se alteran por la presencia de un soluto (tal como azúcar o sal) en agua. Un soluto es una sustancia que se disuelve en otra sustancia (llamado el disolvente). Propiedades coligativas de las soluciones son aquellas propiedades, como la elevación del punto de ebullición y punto de congelación depresión que depende del número de partículas de soluto presentes en la solución.

La adición de un soluto, como la sal, el agua aumenta su punto de ebullición de 100 ° C a aproximadamente 110ºC. Los solutos diluir el número de moléculas de agua en la superficie del agua y por lo tanto se requiere más energía para que el agua se convierta en un gas. Esto se conoce como elevación del punto de ebullición. Cuando cocine la pasta en salados, agua hirviendo, será teóricamente cocinar más rápido ya que es la cocción a una temperatura más alta (110ºC vs 100 ° C).

La adición de un soluto, como la sal, al agua también disminuye el punto de congelación de agua de 0 ° C a aproximadamente -10 ° C o inferior, por lo tanto el agua salada tiene un punto de congelación más bajo que el agua pura y permanece líquido a temperaturas muy bajas. Cuando se agrega la sal (o cualquier otra sustancia ... arena, azúcar) al agua, que interfiere con la ordenada de la organización de las moléculas de agua en un sólido y evita que los enlaces de hidrógeno de la formación. Esto se llama depresión del punto de congelación.

Usted probablemente está familiarizado con algunos ejemplos comunes de estos efectos: El anticongelante se usa para bajar el punto de congelación y aumentar el punto de su refrigerante del motor (agua) de ebullición; y la sal se utiliza para derretir el hielo en las carreteras y evitar que se vuelva a formar. Cuanto mayor es la concentración del soluto (sal), menor es el punto de congelación del agua.

Cómo funciona: Para hacer el helado, que necesita para obtener la crema y solución de azúcar (ingredientes de helado) para congelar, lo que lo hace a -1 ºC. Vamos a rodear a los ingredientes del helado con una mezcla de hielo / sal que se funden en una solución de agua salada y estar a una temperatura alrededor de -10ºC. Esta diferencia de temperatura hará que el calor para dejar los ingredientes del helado y el flujo en la solución de hielo / sal. Con el tiempo, el calor suficiente transferirá fuera de su mezcla de crema de hielo para crear su convite congelado.

Mientras que el hielo es lo suficientemente frío como para congelar el helado (temperatura del hielo es inferior a -1 ° C) que no tiene gran contacto térmico con todos los ingredientes del helado en la bolsa pequeña y no quitará el calor suficiente. El agua líquida podría hacer un trabajo mucho mejor que el hielo que rodea a los ingredientes del helado, pero ¿cómo conseguir una solución fría, acuosa que permanece líquido a -10 ° C? Añadir un soluto (sal, azúcar, arena) !!

A medida que el hielo / sal absorbe el calor de la mezcla de helado, se cambio de fase y comenzará a girar en agua fría:

H2O (sólido) + Heat  H2O (liquido). A medida que el hielo para eliminar el cambio, que extrae el calor de los ingredientes del helado y también el agua líquida. Ahora el agua salada puede permanecer un líquido a pesar de que es -10ºC y este líquido es lo suficientemente frío para congelar la crema. El agua puede caer en la temperatura a la temperatura del hielo sin la congelación.

Algunos otros consejos: En primer lugar, te habrás dado cuenta de que el helado no es un bloque sólido de hielo. Es suave y esponjosa; una textura deseable. Usted puede agradecer el aire de la bolsa Ziploc y el azúcar en la mezcla para eso. Aire en la bolsa se mezcla en la mezcla de crema de congelación, se expande el volumen del helado resultante, y hace que sea suave. El azúcar impide la solución de crema / azúcar a partir de la formación de un bloque duro. Como formas de agua hielo en la solución, el líquido sobrante se vuelve más y más concentrada con azúcar. El más azúcar en el líquido, menor es su punto de congelación se convierte. Así que algunos de la crema no se congelará. Permanecerá líquido. Esto ayuda a que el helado más suave también.

Preguntas Lab / Datos: HELADO DE RESPUESTA EN Lab- SU PROPIO PAPEL !!

Objetivo: Investigar cómo la adición de sal al agua cambia su punto de ebullición y punto de congelación.

Preguntas de laboratorio:

¿Cómo añadir un soluto (como la sal) de agua afecta el punto de ebullición de la solución? explicar
Además de sabor, ¿por qué un cocinero añadir sal al agua hirviendo?
El agua en el océano no se congela a 0 ° C, como el agua pura no (recordemos los burgos de hielo son agua pura) ... ¿Por qué es esto?
¿Por qué una ciudad como GEORGETOWN, KY poner sal en las carreteras en invierno?
Dibuje la puesta a punto del laboratorio e indicar con una flecha la dirección de calor que se transfiere.
¿Cuál es el soluto y disolvente en la pequeña bolsa de plástico?
¿Cuál es el soluto y disolvente en la gran bolsa?
Explique por qué usted está agregando cloruro de sodio (sal), para el hielo.
¿Cómo se organizan las partículas de sí mismos en un sólido? (dibujar)
¿De qué manera afecta la sal la disposición de las moléculas de agua en un sólido? (dibujar y explicar)
Describa dos maneras de hacer su helado tiene una textura suave y esponjosa deseable.
¿Qué hace este laboratorio tiene que ver con la termodinámica?