Здравствуйте, Олег, я студент второго курса Кузбасского государственного технического института, занимаюсь научной работой. И передо мной встала проблема: я не могу нигде найти свойства льда для всех его модификаций (уд. теплота плавления, уд. сопротивление, скорость распространения поперечных и продольных звуковых волн, коэф. поглощения этих волн, склонность к трещинообразованим, а также механические свойства). Не могли бы Вы «подкинуть» мне известную вам информацию по данным вопросам, за что я буду вам искренне благодарен.
К сожалению такой полной информации по физико-механическим свойствам я не располагаю, поскольку я специально не занимался изучением льда и его свойств. Всё что мне известно по данной тематике, привожу ниже:
В природе известны 14 модификаций льда. Правда, все, кроме привычного нам льда, кристаллизующего в гексагональной сингонии и обозначающегося как лёд I , образуются в условиях экзотических — при очень низких температурах (порядка -110150 0 С) и высоких давлениях, когда углы водородных связей в молекуле воды изменяются и образуются системы, отличные от гексагональной. Такие условия напоминают космические и не встречаются на Земле. Например, при температуре ниже –110 °С водяные пары выпадают на металлической пластине в виде октаэдров и кубиков размером в несколько нанометров — это так называемый кубический лед. Если температура чуть выше –110 °С, а концентрация пара очень мала, на пластине формируется слой исключительно плотного аморфного льда.
Как именно согревает человека ИГЛУ
Некоторые данные о структурных модификациях льда, температуре, давлении, плотности и диалектрической проницаемости показаны в Таблице 1 и Таблице 2.
Табл. 1. — Некоторые данные о структурах модификаций льда
Модифи
кация
Фёдоровская группа
Длины водородных связей,
Углы О—О—О в тетраэдрах
Im3m
Im3m
Примечание. 1 A=10 -10 м.
Табл. 2. — Температура, давление, плотность и диэлектрическая проницаемость различных льдов
Модификация
Давление, Мн/м 2
Плотность, г/см 2
Диэлектрическая проницаемость
Кристаллы всех модификаций льда построены из молекул воды H2O, соединённых водородными связями в трёхмерный каркас (рис. 1). Молекулу воды можно упрощенно представить себе в виде тетраэдра (пирамиды с треугольным основанием). В её центре находится атом кислорода, в двух вершинах — по атому водорода, электроны которых задействованы в образовании ковалентной связи с кислородом. Две оставшиеся вершины занимают пары валентных электронов кислорода, которые не участвуют в образовании внутримолекулярных связей, поэтому их называют неподеленными.
Рис.1. Структура льда I.
Наиболее изученным является лёд I-й природной модификации. В структуре льда каждая молекула воды участвует в 4 связях, направленных к вершинам тетраэдра.
При взаимодействии протона одной молекулы с парой неподеленных электронов кислорода другой молекулы возникает водородная связь, менее сильная, чем связь внутримолекулярная, но достаточно могущественная, чтобы удерживать рядом соседние молекулы воды. Каждая молекула может одновременно образовывать четыре водородные связи с другими молекулами под строго определенными углами, равными 109°28′, направленных к вершинам тетраэдра, которые не позволяют при замерзании создавать плотную структуру.
Внутри планет горячий чёрный лёд? Что?
При этом в структурах льда I, Ic, VII и VIII этот тетраэдр правильный. В структурах льда II, III, V и VI тетраэдры заметно искажены. В структурах льда VI, VII и VIII можно выделить 2 взаимоперекрещивающиеся системы водородных связей. Этот невидимый каркас из водородных связей располагает молекулы в виде сетчатой сетки, по структуре напоминающей соты с полыми каналами. Если лед нагреть, сетчатая структура разрушится: молекулы воды начинают проваливаться в пустоты сетки, приводя к более плотной структуре жидкости, — поэтому вода тяжелее льда.
Многое в структуре льда и его свойствах выглядит необычно. В узлах кристаллической решетки льда атомы кислорода выстроены упорядоченно, образуя правильные шестиугольники, а атомы водорода занимают самые разные положения вдоль связей. Поэтому возможны 6 эквивалентных ориентаций молекул воды относительно их соседей.
Часть из них исключается, поскольку нахождение одновременно 2 протонов на одной водородной связи маловероятно, но остаётся достаточная неопределённость в ориентации молекул воды. Такое поведение атомов нетипично, поскольку в твердом веществе все подчиняются одному закону: либо все атомы расположены упорядоченно, и тогда это — кристалл, либо случайно, и тогда это — аморфное вещество. Такая необычная структура может реализоваться в большинстве модификаций льда — I, III, V, VI и VII (и по-видимому в Ic), а в структуре льда II, VIII и IX молекулы воды ориентационно упорядочены. По выражению Дж. Бернала лёд кристалличен в отношении атомов кислорода и стеклообразен в отношении атомов водорода.
Всё же обычный лёд, который образуется при атмосферном давлении и плавится при 0 °С, — самое привычное, но всё же до конца не понятное вещество. В связи с широким распространением воды и льда на Земле отличие свойств льда от свойств других веществ играет важную роль в природных процессах. Вследствие меньшей, чем у воды, плотности лёд образует на поверхности воды плавучий покров, предохраняющий реки и водоёмы от донного замерзания. Зависимость между скоростью течения и напряжением у поликристаллического льда гиперболическая; при приближённом описании её степенным уравнением показатель степени увеличивается по мере роста напряжения.
Кроме того, скорость течения льда прямо пропорциональна энергии активации и обратно пропорциональна абсолютной температуре, так что с понижением температуры лёд приближается по своим свойствам к абсолютно твёрдому телу. В среднем при близкой к таянию температуре текучесть льда в 10 6 раз выше, чем у горных пород. Благодаря своей текучести лёд не накопляется в одном месте, а в виде ледников постоянно перемещается.
Лед трудно расплавить, как бы ни странно это звучало. Не будь водородных связей, сцепляющих молекулы воды, он плавился бы при –90°С. При этом, замерзая, вода не уменьшается в объеме, как это происходит с большинством известных веществ, а увеличивается — за счет образования сетчатой структуры льда.
Вследствие очень высокой отражательной способности льда (0,45) и снега (до 0,95) покрытая ими площадь — в среднем за год около 72 млн. км 2 в высоких и средних широтах обоих полушарий — получает солнечного тепла на 65% меньше нормы и является мощным источником охлаждения земной поверхности, чем в значительной мере обусловлена современная широтная климатическая зональность. Летом в полярных областях солнечная радиация больше, чем в экваториальном поясе, тем не менее температура остаётся низкой, т. к. значительная часть поглощаемого тепла затрачивается на таяние льда, имеющего очень высокую теплоту таяния.
К другим необычным свойствам льда относят и генерацию электромагнитного излучения его растущими кристаллами. Известно, что большинство растворенных в воде примесей не передается льду, когда он начинает расти; они вымораживается. Поэтому даже на самой грязной луже пленка льда чистая и прозрачная.
При этом примеси скапливаются на границе твердой и жидкой сред, в виде двух слоев электрических зарядов разного знака, которые вызывают значительную разность потенциалов. Заряженный слой примесей перемещается вместе с нижней границей молодого льда и излучает электромагнитные волны. Благодаря этому процесс кристаллизации можно наблюдать в деталях. Так, кристалл, растущий в длину в виде иголки, излучает иначе, чем покрывающийся боковыми отростками, а излучение растущих зерен отличается от того, что возникает, когда кристаллы трескаются. По форме, последовательности, частоте и амплитуде импульсов излучения можно определить, с какой скоростью замерзает лед и какая при этом получается ледовая структура.
Табл. 3. — Некоторые свойства льда I
Теплоемкость, кал/(г··°C) Теплота таяния, кал/г Теплота парообразования, кал/г
0,51 (0°C) 79,69 677
Сильно уменьшается с понижением температуры
Коэффициент термического расширения, 1/°C
Теплопроводность, кал/(см сек··°C)
Источник: www.o8ode.ru
Какая температура внутри льда
Бесплатные экскурсии в музей Пиявки!
Международный Центр Медицинской Пиявки приглашает посетить музей и узнать о пользе и вреде пиявок, их выращивании, гирудотерапии, лечебной косметике и многом другом. Подробнее >>>
АгроБиоФерма «Велегож» в Подмосковье приглашает!
Принимаются организованные группы школьников и родители с детьми (от 12 до 24 чел.) по учебно-познавательной программе «Введение в природопользование» Подробнее >>>
Зимние учеты птиц России!
Приглашаем биологические кружки, профессиональных орнитологов и просто любителей птиц принять участие в программах зимних учетов птиц «Parus» и «Евроазиатские Рождественские учеты» в зимний сезон 2020-2021 годов. Подробнее >>>
Биологический кружок ВООП приглашает!
Биологический кружок при Государственном Дарвиновском музее г.Москвы (м.Академическая) приглашает школьников 5-10 классов на занятия в музее, экскурсии по вечерам, учебные выезды в природу по выходным и дальние полевые экспедиции в каникулы! Подробнее >>>
Соревнования по полевой ботанике «ВЕСЕННЯЯ ФЛОРА» пройдут в мае-июне 2020 года в онлайн-формате (определение растений по фотографиям). К участию в соревновании приглашаются школьники и взрослые любители природы, проживающие в средней полосе Европейской части России. Подробнее >>>
Международные дни наблюдений за птицами!
Союз охраны птиц России приглашает российских любителей птиц принять участие в акции и загрузить результаты своих наблюдений на www.biodat.ru Подробнее >>>
Здесь может быть бесплатно размещено Ваше объявление о проводимом Всероссийском конкурсе, Слёте, Олимпиаде, любом другом важном мероприятии, связанном с экологическим образованием детей или охраной и изучением природы. Подробнее >>>
Мы публикуем на нашем сайте авторские образовательные программы, статьи по экологическому образованию детей в природе, детские исследовательские работы (проекты), основанные на полевом изучении природы. Подробнее >>>
| [ sp ] : ml об : |
Физическая география материков и океанов
(смотрите карту географических поясов Антарктики со ссылками на фотографии природы этого региона)
Мощность ледяного покрова Антарктиды в среднем около 2000 м, в Восточной Антарктиде она достигает максимума — 4500 м. За счет этой толщи льда средняя высота материка 2040 м, что почти в три раза превышает среднюю высоту всех остальных континентов (рис. 145).
Рис. 145. Разрез через Антарктиду от моря Амундсена до моря Дэйвиса
Общий объем материкового льда составляет, по одним данным, 24 млн км 3 , т. е. 90 % всего современного оледенения Земли, по другим — значительно больше. В ледяном покрове Антарктиды заключено 80 % всей пресной воды планеты.
Поверхность материкового ледяного щита покрыта толщей снега, под которой залегает фирн, а уже на большой глубине — глетчерный лед. Лед изборожден широкими и глубокими трещинами, которые обычно перекрыты «мостами» из уплотненного снега. Такой «мост» скрывает трещину и поэтому особенно опасен, так как не может выдержать большой нагрузки и ломается иногда даже под тяжестью человека.
Температура внутри льда очень низка — она исчисляется десятками градусов ниже 0 °С. Но в некоторых местах при бурении ледяной толщи в ее основании была обнаружена вода с температурой около 0 °С. Это явление пока не получило объяснения.
Ледяной покров Антарктиды неоднороден не только в поперечном разрезе. Поверхность его также разнообразна; наряду с обширными ледяными равнинами центральной части, на его периферии имеются купола, достигающие 10-20 км в поперечнике, они возвышаются на сотни метров над окружающей равниной.
Кроме того, окраина ледяного щита во многих местах выходит за пределы материка на поверхность омывающих его морей. Это так называемые шельфовые ледники, о которых уже говорилось выше. Они окаймляют примерно половину берегов Антарктиды, иногда достигая огромных размеров. В южной части моря Уэдделла находятся шельфовые ледники Фильхнера и Ронне. Самый большой шельфовый ледник покрывает южную половину моря Росса. Длина его крутого северного края достигает 950 км, а высота отвесного ледяного уступа, называемого барьером Росса, местами превышает 70 м.
В понижениях подледного рельефа существуют выводные ледники, по которым происходит отток льда из внутренних частей. Скорость его движения достигает 500-1200 м в год. Посредством выводных ледников в основном происходит отток льда из внутренних частей к морю. Частично это происходит также и за счет разрушения окраинных частей шельфовых ледников. Огромные глыбы материкового льда уносятся течениями от берегов Антарктиды в виде айсбергов.
Исследования ледяного покрова Антарктиды показали, что он существует уже примерно 20 млн лет, претерпев за это время периоды уменьшения и увеличения. Сейчас состояние его можно назвать стабильным, так как расход льда на образование айсбергов компенсируется его пополнением за счет атмосферных осадков.
В периферической полосе оледенения есть свободные от льда площади, которые получили название антарктических оазисов. Эти оазисы, занимающие иногда сотни квадратных километров, окружены со всех сторон льдом. На их поверхности в летнее время снега нет и даже встречаются не покрытые льдом озера талой воды.
Температура воздуха над самой поверхностью земли бывает положительной, а уже на высоте нескольких метров резко снижается. Предполагают, что причиной образования оазисов является обтекание льдом отдельных возвышенных участков суши. Широкое развитие оазисов в некоторых районах периферической полосы материкового оледенения связано с тем, что там оледенение существует только в результате механического приноса масс льда из центра материка.
В настоящее время наблюдается раздробление шельфовых ледников вдоль северного и западного побережий Антарктического полуострова, что объясняют изменениями климата на региональном и глобальном уровнях. Возможно, по той же причине происходит отступление и других шельфовых льдов, в частности ледников Кука и Западного.
Смотрите также фотографии природы Антарктиды (с географическими и биологическими подписями к фотографиям) из раздела Природные ландшафты мира:
и другие.
- Океаны
- Евразия
- Северная Америка
- Южная Америка
- Африка
- Австралия и Океания
- Антарктика и Антарктида
- Общие сведения и границы
- Антарктические воды (Южный океан)
- Антарктический материк
- Ледяная Антарктида
- Каменная Антарктида. Основные черты структуры и рельефа
Источник: ecosystema.ru
Какая температура льда у Арктики?
Термометры длиной около 800 м «поставлены» шельфовому леднику Росса в Антарктиде, и теперь они будут сообщать миру сведения о море и температуре льда, чтобы можно было отслеживать изменения климата и его влияние на окружающий континент. Использованная новая технология позволяет сделать то, что раньше было невозможно: записывать непрерывные данные температуры внутри и под шельфовым ледником.
Шельфовые ледники служат в качестве» пробок», которые удерживают крупные ледники Западной Антарктиды от сползания в океан и, тем самым, не дают повыситься уровню моря. Поэтому подтаивание шельфовых ледников снизу под действием более тёплой воды океана представляет собой опасность с точки зрения уменьшения слоя антарктического льда и потенциального, очень быстрого, подъёма уровня моря во всём мире. Предпринятое исследование позволит оценить степень вероятности и серьёзности такого сценария.
Новая система позволяет непрерывно записывать температуру каждого метра бронированного кабеля, выполненного из стандартного телекоммуникационного волоконно-оптического материала, способного выдерживать суровые условия Южного океана. Пробурив 200 метров твердого льда, учёные опустили 800 метров кабеля, достигнув дна океана, где он может делать замеры. Чтобы закрепить второй конец кабеля, пробурили второе отверстие и оставили кабель на глубине примерно 50 метров.
Уже получены интересные данные, которые показывают, что температура океана однородна и лежит в точке замерзания морской воды; тёплая вода, скорее всего, появится на поверхности раздела лед-океан через месяц или около того. Удивителен градиент температуры от минус 22° C на поверхности шельфового льда (среднегодовая температура воздуха в регионе) до минус 1,9 °С — температуры океана, причём изменение носит экспоненциальный характер. Ожидается примерно 1,5-метровая потеря толщины льда в течение лета.
В дополнение к данным, получаемым в течение дня, система в автоматическом режиме будет отправлять фотографии всего оборудования со стационарной камеры, установленной на башне. Это позволит оценить выдерживает ли оборудование суровые погодные условия Безветренной Бухты, названной так первыми исследователями Шеклтоном и Скоттом за отдельные периоды спокойствия в этом, как правило, чрезвычайно ветреном районе.
Источник: sciteclibrary.ru.
Рейтинг публикации:
5
Источник: oko-planet.su
Идеальный каток: как поддерживается температура льда
Этиленгликоль циркулирует под площадкой, его задача – обеспечивать оптимальную температуру льда. Благодаря хорошему холодному льду на аренах бывает по-настоящему жарко – хоккеисты, фигуристы и конькобежцы стараются показать свой спортивный максимум. Мы много писали о значении моноэтиленгликоля (МЭГ) для производства антифризов, термопластика и синтетического волокна. Но МЭГ востребован не только промышленностью – без него не обойтись в индустрии спорта и развлечений. Сегодня рассказываем, как вещество создает и сохраняет лед на аренах для зимних видов спорта, сезон которых уже начинается.
Вещество, несущее холод
Начинка современных арен с искусственным льдом устроена схожим образом, будь то скромный районный ФОК или площадка, рассчитанная на десятки тысяч зрителей. Собственно лед – это лишь вершина большого и технологически сложного «айсберга».
Каток без льда – это гладкая бетонная поверхность снаружи, а внутри – что-то вроде слоеного пирога, в котором уровнями уложены трубки для жидкого хладоносителя – 32–40-процентного раствора МЭГ. Под трубками идут слои тепло- и пароизоляции, а потом еще один бетонный слой с трубопроводами – уже для подогрева.
Эти слои берегут грунт под ледовой ареной от промерзания и вспучивания – это может деформировать конструкцию арены. За обогрев грунта отвечает все тот же раствор МЭГ – в нижней части «слоеного пирога» он циркулирует подогретым до +10–15 °С. «Холодное» сердце арены – холодильная установка или чиллер. Установок может быть несколько.
Охлаждение МЭГ происходит в теплообменнике: кипящий фреон (хладагент) отбирает тепло у гликолевого раствора (хладоносителя), циркулирующего под спортивной площадкой, а насосы разгоняют жидкость по трубкам. Для разных видов спорта рекомендован лед разных физических свойств («быстрый» или «мягкий») и разной температуры.
Например, лучшая температура хоккейного льда около –5 °С, для фигурного катания подходит лед холоднее на 1-1,5 градуса. От этих особенностей зависит и температура хладоносителя, отвечающего за состояние льда: МЭГ подается в трубки под ледовым полем с температурой от –9 до –15 °С. Намораживание или «варка» льда на площадке – многоэтапный процесс, который на топовых аренах перед большими соревнованиями занимает до семи дней. Система трубок в этот время прокачивает тонны хладоносителя, создавая условия для замерзания воды.
Удивительные свойства
- растворы неорганических солей на основе хлорида кальция или хлорида натрия;
- растворы органических солей на основе ацетата и формиата калия;
- растворы пропиленгликоля.
Однако именно МЭГ наиболее востребован – по сравнению с аналогами он наименее коррозионно-опасен, а нужные объемы легче приобрести на рынке.
Все перечисленные хладоносители опасны. По степени воздействия на организм человека МЭГ относят к умеренно опасным веществам (третий класс опасности). На практике при эксплуатации арен с искусственным льдом риск взаимодействия людей с хладоносителем минимален.
Физические свойства МЭГ делают его одновременно отличным хладоносителем и теплоносителем:
- –12 °С – температура замерзания;
- 197,7 °С – температура кипения.
Это значит, что вещество сохраняется в жидком виде при таких температурах, когда обычная вода превращается в лед или испаряется. Что касается морозостойкости, то различные сочетания МЭГ с водой дают возможность варьировать температуру замерзания, даже понижая ее до –60 °С и ниже. В случае экстремальных температур, раствор МЭГ в трубах не станет льдом и не деформирует оборудование, а превратится в кашеобразную рыхлую массу.
В нашей стране с холодным климатом именно устойчивость МЭГ к отрицательным температурам делает его незаменимым в сфере автохимии. До 2/3 всего производимого этиленгликоля в России идет на изготовление автомобильных антифризов.
О том, как развивается российский рынок антифризов в 2022 году – читайте в нашем отдельном материале. О физических свойствах МЭГ и его применении в различных сферах мы писали в этой статье.
Можно ли заработать на хладоносителе для ледовых арен?
Считается, что для поддержания в рабочем состоянии льда на спортивной арене формата хоккейной площадки (минимально допустимый размер 56 на 26 метров) достаточно 10–12 тонн водно-гликолевого раствора. Оборот жидкости невысокий – как правило хладоноситель предписано менять раз в пять лет, иначе есть риск, что жидкость станет агрессивной и начнет разрушать трубопровод. И если вы занимаетесь продажами МЭГ, то много и часто зарабатывать на поставках для одной ледовой площадки не получится.
В 2023-м в России планируют ввести новые ледовые арены в Санкт-Петербурге (22 000 зрителей), Екатеринбурге (12 000 зрителей), Новосибирске (10 500 зрителей). В Нижнем Новгороде стартовало строительство ледового стадиона на 12 000 зрителей, проект намерены завершить в 2024–2025 годах.
Шанс неплохо заработать есть у поставщиков строительных компаний, участвующих в региональных программах развития спортивной инфраструктуры, предполагающих одновременное возведение нескольких объектов с ледовыми аренами. Например, в районах Нижегородской области с 2007-го по 2018-й годы построили 38 современных ФОКов со льдом, а в самом Нижнем Новгороде до 2030 года планируют построить еще шесть ФОКов. Подобные программы действуют в нескольких регионах страны.
Несмотря на популярность зимних видов спорта, в России сравнительно небольшое количество современных ледовых арен для массового спорта. По данным Международной федерации хоккея, по числу крытых катков (площадок с искусственным льдом), наша страна на третьем месте в мире после Канады и США – в РФ 346 объектов, в США – 2000, а в Канаде 2 586. Однако по показателю одного катка на число жителей, Россия только на 16-ой позиции рейтинга стран: одна ледовая арена приходится почти на 400 000 человек. Это показывает, что есть огромный потенциал для улучшения ситуации и большего охвата людей любительским занятиями зимними видами спорта. Если не помешают внешние обстоятельства, в стране обязательно будут строить новые сооружения с искусственным льдом.
Популярные статьи 
Они точно справятся? Как санкции влияют на СИБУР и где компания ищет новых партнеров 
Глицерин — соперник, проигравший этиленгликолю 
Все, что нужно знать, о диэтиленгликоле и триэтиленгликоле
Источник: glycols.ru