Во льду всегда имеются полости с рассолом и полости, заполненные воздухом или газами. Отношение объема пузырьков с газом или воздухом к общему объему образца льда, выраженное в процентах, называется пористостью льда. Пористость морских льдов может колебаться от 5 до 13%.
Пористость льда влияет на его плотность. Чем больше пористость, тем меньше плотность льда. Наиболее плотными являются средние части льдин и торосов, многократно подвергшихся сжатию.
Плотность пресного льда, лишенного пузырьков воздуха, при температуре 0 0 С равна 0.918 г·см -3 , а удельный объем при этом равен 1.090 см 3 ·г -1 . Следовательно, при льдообразовании удельный объем увеличивается (плотность уменьшается) примерно на 9%.
Плотность морского льда зависит от температуры, солености и пористости.
При изменении температуры плотность морского льда изменяется аномально, что и определяет его отличие от пресного льда. Плотность пресного льда с понижением температуры увеличивается. Плотность соленого льда при понижении температуры от 0 до –23 0 С, наоборот, уменьшается за счет увеличения объема льда при образовании новых кристалликов льда из рассола. Аномалия объясняется тем, что в этом температурном интервале действуют одновременно два взаимно противоположных процесса: процесс нормального увеличения плотности льда за счет понижения его температуры и процесс уменьшения плотности за счет вымораживания из рассола дополнительных порций льда, плотность которых меньше плотности рассола. До температуры –23 0 С преобладает второй процесс, а затем, когда начинается выпадение хлоридов и количество рассола резко сокращается, преобладает первый процесс, приводящий к увеличению плотности льда и сокрашению его объема.
Что происходит с твоим телом при закаливании? Как принимать холодные ванны и не простыть?
С возрастом плотность льда уменьшается, так как после вытекания рассола ячейки заполняются воздухом.
Плотность льда определяет осадку (погруженность) плавучих льдов, которая для пресных льдов составляет около 9/10, а для морских — до 5/6 их толщины.
Чистый пресный лед при 0 0 С обладает удельной теплоемкостью, равной 2.056 кДж/(кг·К) и зависит только от температуры. С понижением температуры теплоемкость пресного льда понижается.
Удельная теплоемкость морского льда включает в себя теплоту фазовых преобразований и, в отличие от принятой в физике теплоемкости, называется эффективной теплоемкостью морского льда. Эффективная удельная теплоемкость морского льда зависит как от температуры, так и от солености льда: с повышением солености значительно увеличивается, достигая при температуре –2 0 С и солености 15‰ 70.80 кДж/(кг·К), и резко уменьшается с понижением температуры. Это объясняется тем, что при изменении температуры меняется соотношение твердой и жидкой фаз рассола, которое сопровождается выделением или поглощением тепла. Причем с ростом солености, приводящим к возрастанию массы рассола, теплота фазовых преобразований играет все более заметную роль. С понижением температуры льда рассол постепенно вымерзает и теплоемкость морского льда приближается к теплоемкости пресного.
Таблица нарастания, промерзания льда на водоёме. Как определить толщину льда?
Образование (кристаллизация) морского льда происходит не при какой-то фиксированной температуре, как у пресного льда, а непрерывно от температуры замерзания морской воды до температуры, при которой весь рассол замерзнет. Так же непрерывно при повышении температуры происходит плавление (таяние) льда. Поэтому теплоту, затрачиваемую на плавление морского льда или выделяемую при замерзании морской воды, нельзя отождествлять с удельной теплотой кристаллизации воды.
Впервые на такой характер плавления морского льда обратил внимание шведский геофизик Ф.Мальмгрен участник океанографических и арктических экспедиций на судне «Мод» (1922-25), дирижаблях «Норвегия» (1926) и «Италия» (1928). Он известен своими трудами по физическим и химическим свойствам морского льда, в которых предложил вместо понятия теплоты плавления использовать некоторое эффективное тепло, затрачиваемое на плавление единицы массы морского льда, взятого при некоторой температуре. Это эффективное тепло зависит от собственной теплоты, расходуемой на плавление чистого льда, и от тепла, необходимого на повышение температуры льда и рассола до температуры полного плавления морского льда.
Теплота плавления морского льда изменяется в значительных пределах — от 150 до 397 кДж/кг и зависит от температуры и солености. С понижением температуры и солености теплота плавления льда повышается.
Плавление морского льда происходит постепенно, и к началу лета он за счет внутреннего таяния представляет собой разъеденную изнутри массу, легко разрушающуюся под действием тепловых или механических факторов.
Теплопроводность морского льда примерно в пять раз выше, чем воды, в восемь раз больше, чем снега, и почти в сто раз больше, чем воздуха. Характерная теплопроводность кристаллов пресного льда составляет 2.22 Вт/ (м·К), а морского льда около 2.10 Вт/(м·К), так как теплопроводность рассола примерно в четыре раза меньше, чем пресного льда.
Температура верхней поверхности льда близка к температуре воздуха и в течение года может меняться в значительных пределах. При ясном безоблачном небе температура льда вследствие интенсивной радиации может быть даже ниже температуры воздуха. В то же время температура нижней поверхности льда, соприкасающейся с водой, близка к температуре замерзания, т. е. почти постоянна.
Перепад температуры двухметрового льда по его толщине может достигать 20 0 С и более, что создает во льду большие напряжения.
Минимальные температуры в осенне-зимний период наблюдаются в верхнем слое льда, а в весенне-летний период в средней части льда, т. е. наблюдается запаздывание наступления минимальных температур по вертикали, аналогичное запаздыванию температурного максимума в верхнем слое моря.
Снежный покров, имея малую теплопроводность, существенно влияет на температуру льда. Температура льда, покрытого снегом, значительно выше, чем без него.
Чистый лед прозрачен для лучей видимого света. Пузырьки воздуха, рассола или другие включения, рассеивая световые лучи, значительно ухудшают их прохождение через толщу льда, поэтому прозрачность морского льда сравнительно невелика.
Цвет льда, как и воды, объясняется избирательным поглощением и рассеянием световых лучей и зависит от размеров и количества посторонних примесей в нем. Совершенно чистый, пресный, лишенный пузырьков воздуха лед при рассматривании его в большом куске представляется нежно-голубым.
Лед, встречающийся в море, по цвету или оттенкам, заметным в больших массивах льда, можно грубо подразделить на коричневый, белый, зеленый и голубой или синий.
Коричневый, иногда желтый лед — это лед речного или прибрежного происхождения с включениями глинистых веществ или гуминовых кислот. Белый лед образуется из снега, в нем много крупных пузырьков воздуха или ячеек с рассолом. Зеленый цвет характерен для сравнительно молодого морского льда зернистой структуры с большим количеством воздуха и рассола.
Голубой или синий лед характерен для многолетних торосистых морских льдов, в которых не осталось посторонних примесей. В голубом льду ярко выражена его игольчатая структура с ориентированными кристаллами. Голубой цвет характерен также для глетчерного льда и айсбергов.
Начальные виды льдов — ледяное сало, шуга, тонкий смоченный молодой лед — имеют темно-серый со стальным оттенком цвет. По мере увеличения толщины цвет льда переходит в светло-серый, а затем в белый. При таянии смоченные водой тонкие льдинки вновь принимают темно-серую окраску.
Встречается лед зеленого, красного, розового, желтого и даже черного цветов, которые объясняются присутствием во льду в больших количествах различных минеральных и органических взвесей (бактерий, планктона, эоловых частиц и др.).
Так как лед задерживает длинноволновую радиацию, то подобно стеклу он создает парниковый эффект. Благодаря этому лед не только предохраняет находящиеся под ним слои воды от охлаждения, но и способствует их нагреванию.
Прочность морского льда из-за сложной картины распределения солевых ячеек и его частично двухфазного состава в три раза уступает прочности пресноводного льда той же толщины. Однако старый морской лед с очень низкой соленостью не уступает по прочности пресноводным льдам.
Источник: studfile.net
Какая температура у льда
Льдом иногда называют некоторые вещества в твёрдом агрегатном состоянии, например, сухой лёд, аммиачный лёд или метановый лёд.
Основные свойства водного льда
В настоящее время известны три аморфных разновидности и 15 кристаллических модификаций льда. Фазовая диаграмма на рисунке справа показывает при каких температурах и давлениях существуют некоторые из этих модификаций (более полное описание см.ниже).
Фазовая диаграмма льда. Давление (ГПа) в логарифмическом масштабе, температура слева — в градусах Цельсия, справа — Кельвина, 1 — жидкая фаза
В природных условиях Земли лёд представлен, главным образом, одной кристаллической модификацией, кристаллизующейся в гексагональной сингонии (лёд Ih). Во льду Ih каждая молекула Н2O окружена четырьмя ближайшими к ней молекулами, находящимися на одинаковых расстояниях от неё, равных 2,76 Å и размещённых в вершинах правильного тетраэдра.
Кристаллическая структура льда Ih. Серыми пунктирными линиями показаны водородные связи.
Ажурная кристаллическая структура такого льда приводит к тому, что его плотность, равная 916,7 кг/м³ при 0 °C, ниже плотности воды (999,8 кг/м³) при той же температуре. Поэтому вода, превращаясь в лёд, увеличивает свой объём примерно на 9 % [1] . Лёд, будучи легче жидкой воды, образуется на поверхности водоёмов, что препятствует дальнейшему замерзанию воды.
Высокая удельная теплота плавления льда, равная 330 кДж/кг, (для сравнения — удельная теплоты плавления железа равна 270 кДж/кг), служит важным фактором в обороте тепла на Земле. Так, чтобы растопить 1 кг льда или снега, нужно столько же тепла, сколько требуется, чтобы нагреть литр воды от 0 до 80 °C
Лёд встречается в природе в виде собственно льда (материкового, плавающего, подземного), а также в виде снега, инея и т. д. Под действием собственного веса лёд приобретает пластические свойства и текучесть.
Природный лёд обычно значительно чище, чем вода, так как при кристаллизации воды в первую очередь в решётку встают молекулы воды (см. зонная плавка). Лёд может содержать механические примеси — твёрдые частицы, капельки концентрированных растворов, пузырьки газа. Наличием кристалликов соли и капелек рассола объясняется солоноватость морского льда.
Лёд в Арктике
Лёд на Земле
Основная статья: Криосфера
Общие запасы льда на Земле около 30 млн км³. Основные запасы льда на Земле сосредоточены в полярных шапках (главным образом, в Антарктиде, где толщина слоя льда достигает 4 км).
В океане
Основная статья: Морской лёд
Вода в мировом океане солёная и это препятствует образованию льда, поэтому лёд образуется только в полярных и субполярных широтах, где зима долгая и очень холодная. Замерзают некоторые неглубокие моря, расположенные в умеренном поясе. Различают однолетние и многолетние льды. Морской лёд может быть неподвижным, если связан с сушей, или плавучим, то есть дрейфующим. В океане встречаются льды, отколовшиеся от ледников суши и спустившиеся в океан в результате абляции, — айсберги.
Лёд в космосе
Имеются данные о наличии льда на планетах Солнечной системы и в ядрах комет. Изо льда сложена поверхность Европы — спутника Юпитера.
Использование льда в технике
Ледяная гидросмесь. В конце 1980-х годов лаборатория Аргонн разработала технологию изготовления ледяной гидросмеси (Ice Slurry), способной свободно течь по трубам различного диаметра, не собираясь в ледяные наросты, не слипаясь и не забивая системы охлаждения [2] . Солёная водяная суспензия состояла из множества очень мелких ледяных кристалликов округлой формы. Благодаря этому сохраняется подвижность воды и, одновременно, с точки зрения теплотехники она представляет собой лёд, который в 5—7 раз эффективнее простой холодной воды в системах охлаждения зданий. Кроме того, такие смеси перспективны для медицины. Опыты на животных показали, что микрокристаллы смеси льда прекрасно проходят в довольно мелкие кровеносные сосуды и не повреждают клетки. «Ледяная кровь» удлиняет время, в течение которого можно спасти пострадавшего. Скажем, при остановке сердца это время удлиняется, по осторожным оценкам, с 10—15 до 30—45 минут. [2]
Использование льда в качестве конструкционного материала широко распространено в приполярных регионах для строительства жилищ — иглу. Лёд входит в состав предложенного Д. Пайком материала Пайкерит, из которого предлагалось сделать самый большой в мире авианосец. Использование льда для постройки искусственных островов описывается в фантастическом романе Ледяной остров.
Фазы льда
| Аморфный лёд | Аморфный лёд не обладает кристаллической структурой. Он существует в трех формах: аморфный лёд низкой плотности (LDA), образующийся при атмосферном давлении и ниже, аморфный лёд высокой плотности (HDA) и аморфный лёд очень высокой плотности (VHDA), образующийся при высоких давлениях. Лёд LDA получают очень быстрым охлаждением жидкой воды («сверхохлаждённая стекловидная вода», HGW), или конденсацией водяного пара на очень холодной подложке («аморфная твёрдая вода», ASW), или путём нагрева высокоплотностных форм льда при нормальном давлении («LDA»). |
| Лёд Ih | Обычный гексагональный кристаллический лёд. Практически весь лёд на Земле относится ко льду Ih, и только очень малая часть — ко льду Ic. |
| Лёд Ic | Метастабильный кубический кристаллический лёд. Атомы кислорода расположены как в кристаллической решётке алмаза. Его получают при температуре в диапазоне от −133 °C до −123 °C, он остаётся устойчивым до −73 °C, а при дальнейшем нагреве переходит в лёд Ih. Он изредка встречается в верхних слоях атмосферы. |
| Лёд II | Тригональный кристаллический лёд с высокоупорядоченной структурой. Образуется изо льда Ih при сжатии и температурах от −83 °C до −63 °C. При нагреве он преобразуется в лёд III. |
| Лёд III | Тетрагональный кристаллический лёд, который возникает при охлаждении воды до −23 °C и давлении 300 МПа. Его плотность больше, чем у воды, но он наименее плотный из всех разновидностей льда в зоне высоких давлений. |
| Лёд IV | Метастабильный тригональный лёд. Его трудно получить без нуклеирующей затравки. |
| Лёд V | Моноклинный кристаллический лёд. Возникает при охлажении воды до −20 °C и давлении 500 МПа. Обладает самой сложной структурой по сравнению со всеми другими модификациями. |
| Лёд VI | Тетрагональный кристаллический лёд. Образуется при охлажении воды до −3 °C и давлении 1,1 ГПа. В нём проявляется дебаевская релаксация. |
| Лёд VII | Кубическая модификация. Нарушено расположение атомов водорода; в веществе проявляется дебаевская релаксация. Водородные связи образуют две взаимопроникающие решётки. |
| Лёд VIII | Более упорядоченный вариант льда VII, где атомы водорода занимают, очевидно, фиксированные положения. Образуется изо льда VII при его охлаждении ниже 5 °C. |
| Лёд IX | Тетрагональная метастабильная модификация. Постепенно образуется изо льда III при его охлаждении от −65 °C до −108 °C, стабилен при температуре ниже −133 °C и давлениях между 200 и 400 МПа. Его плотность 1,16 г/см³, то есть, несколько выше, чем у обычного льда. |
| Лёд X | Симметричный лёд с упорядоченным расположением протонов. Образуется при давлениях около 70 ГПа. |
| Лёд XI | Ромбическая низкотемпературная равновесная форма гексагонального льда. Является сегнетоэлектриком. |
| Лёд XII | Тетрагональная метастабильная плотная кристаллическая модификация. Наблюдается в фазовом пространстве льда V и льда VI. Можно получить нагреванием аморфного льда высокой плотности от −196 °C до примерно −90 °C и при давлении 810 МПа. |
| Лёд XIII | Моноклинная кристаллическая разновидность. Получается при охлаждении воды ниже −143 °C и давлении 500 МПа. Разновидность льда V с упорядоченным расположением протонов. |
| Лёд XIV | Ромбическая кристаллическая разновидность. Получается при температуре ниже −155 °C и давлении 1,2 ГПа. Разновидность льда XII с упорядоченным расположением протонов. |
| Лёд XV | Псевдоромбическая кристаллическая разновидность льда VI с упорядоченным расположением протонов. Можно получить путём медленного охлаждения льда VI примерно до −143 °C и давлении 0,8-1,5 ГПа. [5] |
Новые исследования формирования водяного льда на ровной поверхности меди при температурах от −173 °C до −133 °C показали, что сначала на поверхности возникают цепочки молекул шириной около 1 нм не гексагональной, а пентагональной структуры [6] .
Источник: dic.academic.ru
Физики объяснили низкую скользкость льда при приближении к температуре плавления
Физики установили, что на скользкость льда влияет не только тонкий слой жидкости, возникающий на поверхности, но и ряд других факторов: твердость льда, форма скользящего предмета и сила, с которой он давит на поверхность. Им удалось объяснить, почему при температурах, близких к температуре плавления, лед резко становится значительно менее скользким. Статья опубликована в журнале Physical Review X.
При отрицательных температурах вода замерзает и превращается в лед, по которому можно скользить. Это физическое явление кажется очень простым, но на самом деле физики еще с середины 19 века пытаются описать все факторы, влияющие на скользкость льда.
Скольжение предметов по льду объясняют появлением тонкого слоя воды под ними. Долгое время считалось, что давление на лед приводит к понижению его температуры плавления, и он начинает таять даже при отрицательных температурах. Но чтобы заставить лед таять хотя бы при минус пяти градусах, нужно приложить давление в 610 атмосфер. Это примерно эквивалентно тысяче слонов, поместившихся на катке площадью один квадратный метр. Поэтому позже физики стали связывать появление слоя воды не с давлением, а с нагреванием из-за трения предметов о лед.
Это объяснение подтвердили в 2019 году французские ученые. Они выяснили, что слой жидкости на льду действительно присутствует, его толщина составляет всего несколько сотен нанометров, и это не просто вода, а вязкая смесь воды с дробленым льдом.
Есть две температурных области, в которых лед ведет себя необычно и резко становится намного менее скользким: при охлаждении до −80 градусов Цельсия и при нагревании до температуры, близкой к температуре плавления. При этом при температуре от −10 до −5 градусов Цельсия он наоборот становится очень скользким. Ранее немецкие и голландские физики объяснили уменьшение скользкости льда тем, что при охлаждении снижается подвижность молекул воды в поверхностном слое. Это и приводит к возрастанию коэффициента трения.
Физики из Амстердамского университета под руководством Ринса Лиферинка (Rinse Liefferink) продолжили исследование своих коллег и изучили резкое уменьшение скользкости льда около нуля градусов. Это явление уже нельзя объяснить возникновением слоя жидкости: ученые пытались связать возрастание коэффициента трения с увеличением толщины этого слоя, но их теория не подтвердилась экспериментально.
Ученые провели серию экспериментов по скольжению с предметами разной формы: большими и маленькими сферами, лезвием, напоминающим лезвие конька. Температуру льда меняли в диапазоне от −120 до −1,5 градусов Цельсия. Чтобы сохранить лед гладким, ученые добавляли на него новый слой воды после каждого эксперимента.
Помимо коэффициента трения, физики измерили твердость льда. При приближении к температуре плавления твердость резко снизилась.
По более мягкому льду предметы уже не просто скользили, а «врезались» в него, как плуг в пашню. Для сфер этот эффект проявился при −20 градусах, а для конька — при −8. Это показало, что на скользкость льда при высоких температурах влияет уже не поведение молекул жидкости в поверхностном слое, а целый ряд других факторов: твердость льда, форма скользящего предмета и сила, с которой он давит на поверхность.
В процессе «вспахивания» образуются мелкие осколки льда, которые тоже влияют на движение предмета. Особенно это заметно при движении туда-обратно на небольшом участке: для металлической сферы, которую катали по одной и той же площадке льда, коэффициент трения так и не стал постоянным со временем.
Другой интересный результат новых наблюдений — лед оставался скользким даже при скорости предмета один микрометр в секунду, хотя нагрев от трения при таком медленном движении становится почти незаметным. Кроме того, скорость не менялась при использовании материалов с разной теплопроводностью. Это демонстрирует, что коэффициент трения определяется не столько количеством теплоты и, соответственно, плавлением льда, сколько формой предмета и другими условиями.
Даже такой простой физический объект, как лед, может удивлять. Убедиться в этом можно, прочитав наш материал «Карусель для уток» о блинчатых льдинах или новость о ледяных вулканах на озере Мичиган.
Источник: nplus1.ru
Плотность льда и снега, теплопроводность, теплоемкость льда
Плотность, теплопроводность и теплоемкость льда в зависимости от температуры
В таблице приведены значения плотности, теплопроводности, удельной теплоемкости льда в зависимости от температуры в интервале от 0 до -100°С.
По данным таблицы видно, что с понижением температуры удельная теплоемкость льда уменьшается, а теплопроводность и плотность льда, напротив, растут. Например, при температуре 0°С плотность льда имеет значение 916,2 кг/м 3 , а при температуре минус 100°С его плотность становится равной 925,7 кг/м 3 .
Значение удельной теплоемкости льда при 0°С составляет 2050 Дж/(кг·град). При снижении температуры льда с -5 до -100°С его удельная теплоемкость снижается в 1,45 раза. Теплоемкость льда в два раза меньше значения этой величины у воды.
Теплопроводность льда при понижении его температуры с 0 до минус 100°С увеличивается с 2,22 до 3,48 Вт/(м·град). Лед более теплопроводен, чем вода — он может проводить в 4 раза больше тепла при одинаковых граничных условиях.
Следует отметить, что плотность льда меньше плотности воды, однако с понижением температуры плотность льда растет и при приближении к абсолютному нулю температуры плотность льда становится близка к величине плотности воды.
| 0.01 (Вода) | 999,8 | 0,56 | 4212 |
| 0 | 916,2 | 2,22 | 2050 |
| -5 | 917,5 | 2,25 | 2027 |
| -10 | 918,9 | 2,30 | 2000 |
| -15 | 919,4 | 2,34 | 1972 |
| -20 | 919,4 | 2,39 | 1943 |
| -25 | 919,6 | 2,45 | 1913 |
| -30 | 920,0 | 2,50 | 1882 |
| -35 | 920,4 | 2,57 | 1851 |
| -40 | 920,8 | 2,63 | 1818 |
| -50 | 921,6 | 2,76 | 1751 |
| -60 | 922,4 | 2,90 | 1681 |
| -70 | 923,3 | 3,05 | 1609 |
| -80 | 924,1 | 3,19 | 1536 |
| -90 | 924,9 | 3,34 | 1463 |
| -100 | 925,7 | 3,48 | 1389 |
Теплофизические свойства льда и снега
В таблице представлены следующие свойства льда и снега:
- плотность льда, кг/м 3 ;
- теплопроводность льда и снега, ккал/(м·час·град) и Вт/(м·град);
- удельная массовая теплоемкость льда, ккал/(кг·град) и Дж/кг·град);
- коэффициент температуропроводности, м 2 /час и м 2 /сек.
Свойства льда и снега представлены в зависимости от температуры в интервале: для льда от 0 до -120°С; для снега от 0 до -50°С в зависимости от уплотненности (плотности). Температуропроводность льда и снега в таблице приведена с множителем 10 6 . Например, температуропроводность льда при температуре 0°С равна 1,08·10 -6 м 2 /с.
Давление насыщенного пара льда
В таблице приведены значения давления насыщенного пара льда при сублимации (переход льда в пар, миную жидкую фазу) в зависимости от температуры в интервале от 0,01 до -80°С. Из таблицы видно, что с понижением температуры льда давление его насыщенного пара снижается.
- Чубик И. А., Маслов А. М. Справочник по теплофизическим характеристикам пищевых продуктов и полуфабрикатов. М.: Пищевая промышленность, 1970 — 184 с.
- Волков. А.И., Жарский. И.М. Большой химический справочник. — М: Советская школа, 2005. — 608 с.
- Теплопроводность цветных металлов, теплоемкость и плотность сплавов
- Коэффициенты линейного расширения строительных материалов
Источник: thermalinfo.ru