Лед

редактировать

Замороженная вода: твердое состояние воды

Лед
Изображение льда.
Физические свойства
Плотность (ρ) 0,9167 –0,9168 г / см
Показатель преломления (n) 1,309
Механические свойства
Модуль Юнга (E) от 3400 до 37 500 кг-сила / см
Прочность на разрыв (σt)от 5 до 18 кгс / см
Прочность на сжатие (σ c) от 24 до 60 кгс / см
коэффициент Пуассона (ν) 0,36 ± 0,13
Тепловые свойства
Теплопроводность (k) 0,0053 (1 + 0,105 θ) кал / (см · с · K), θ = температура в ° C
Коэффициент линейного теплового расширения (α) 5,5 × 10
Удельная теплоемкость (c) 0,5057 - 0,001863 θ кал / (г K), θ = абсолютное значение температуры в ° C
Электрические свойства
Диэлектрическая проницаемость (ε r) ~ 3,15
Свойства льда существенно от температуры, чистоты и других факторов.

Лед - это вода замороженная в твердое состояние. В зависимости от наличия примесей, таких как такие частицы почвы или пузырьков воздуха он может казаться прозрачным или более или менее непрозрачный голубовато-белый цвет.

В Солнечной системе льда много, и он естественным образом встречается от Солнца как Меркурий, так и до облака Оорта объекты. За пределами Солнечной системы он встречается как межзвездный лед. Его много на поверхности Земли - особенно в полярных регионах и выше линии снега - и, как обычная форма осадков и отложение, ключевую роль в круговороте воды и климате Земли. Он падает в виде снежинок и града возникает в виде инея, сосулек или ледяных шипов и собирается из снега в виде ледников, ледяных щитов.

Лед Молекулы могут иметь восемнадцать или более различных фаз (геометрии упаковки ), которые зависят от температуры и давления. При быстром охлаждении воды (закалка ) может образоваться до трех различных типов аморфного льда в зависимости от истории его давления и температуры. При охлаждении происходит туннелирование медленно коррелированных протонов ниже -253,15 ° C (20 K, -423,67 ° F ), вызывая макроскопические квантовые явления. Практически весь лед на поверхности Земли и в ее атмосфере имеет гексагональную кристаллическую структуру, обозначенную как I h (произносится как «лед в час») с следы кубического льда, обозначенные как ice I c. Наиболее распространенный фазовый переход в лед I h происходит, когда жидкая вода охлаждается ниже 0 ° C (273,15 K, 32 ° F ) при стандартном атмосферном давлении. Он также может быть отложен непосредственно водяным паром, как это происходит при образовании инея. Переход от льда к воде происходит таяние, а от непосредственно к водяному пару - это сублимация.

Лед используется по-разному, включая охлаждение, зимние виды спорта и ледяная скульптура.

Содержание
  • 1 Физические свойства
    • 1.1 Фазы
    • 1.2 Фрикционные свойства
  • 2 Природные образования
    • 2.1 На океанах
    • 2.2 На суше и сооружениях
    • 2.3 На реках и ручьях
    • 2,4 На озерах
    • 2,5 В воздухе
      • 2.5.1 Изморозь
      • 2.5.2 Ледяная крупа
      • 2.5.3 Град
      • 2.5.4 Снег
      • 2.5.5 Алмазная пыль
  • 3 Абляция
  • 4 Роль в деятельности человека
    • 4.1 Охлаждение
      • 4.1.1 Сбор урожая
      • 4.1.2 Механическое производство
    • 4.2 Транспортировка
      • 4.2.1 Путешествие по суше
      • 4.2.2 Путешествие по воде
      • 4.2.3 Путешествие по воздуху
    • 4.3 Отдых и спорт
    • 4.4 Другое использование
      • 4.4.1 В качестве теплового балласта
      • 4.4.2 В качестве конструкционного материала
  • 5 "Лед» из других материалов
  • 6 См. Также
  • 7 Ссылки
  • 8 Внешние ссылки
Физические свойства
Трехмерная кристаллическая структура H 2 O лед I h (c) из оснований молекул льда H 2 O (b), использование в точках решетки внутри двумерной гексагональной пространственной решетки (a).

В качестве встречающегося в природе кристаллического неорганического твердого вещества с упорядоченной структурой лед считается минералом. Он обладает регулярной кристаллической структурой на основе молекулы воды, которая состоит из одного атома кислорода , ковалентно связанного с двумя атомы водорода или H - O - H. Основные физические свойства воды и льда регулируются образование водородных связей между соседними атомами кислорода и водорода; хотя это не имеет решающего значения для управления структурой воды и льда.

Необычным свойством воды является то, что ее твердая форма - лед, замороженный при атмосферном давлении - примерно на 8,3% менее плотна, чем ее жидкая форма; это эквивалентно увеличения на 9%. Плотность льда составляет 0,9167–0,9168 г / см при 0 ° C и стандартном атмосферном давлении (101 325 Па), тогда как плотность воды составляет 0,9998–0,999863 г / см при той же давления и давления. Жидкая вода является самой плотной, по существу 1,00 г / см, при 4 ° C и начинает терять свою плотность, поскольку молекулы воды начинают формировать гексагональные кристаллы льда <35.>по мере достижения точки замерзания. Это происходит из-за того, что водородные связи доминируют над межмолекулярными силами, что приводит к менее компактной молекуле в твердом теле. Плотность незначительно увеличивается с понижением температуры и составляет 0,9340 г / см при -180 ° С (93 К).

Когда вода замерзает, она увеличивается в объеме (около 9% для пресной воды). Эффект расширения во время замерзания может быть драматичным, расширение льда является основной причиной таяния-замораживания выветривания горных пород и повреждений фундаментов зданий и дорог в результате морозного пучения. Это также частая причина затопления домов, когда водопроводные трубы лопаются из-за давления расширяющейся воды при замерзании.

Результатом этого процесса является то, что лед (в его наиболее распространенной форме) плавает в жидкой воде, что демонстрирует биосферы Земли. Утверждалось, что без этого свойства естественных водоемы замерзали бы, в некоторых случаях навсегда, привело к потере зависимых от дна животных и растений в пресной и морской воде. Достаточно тонкие ледяные щиты пропускают свет, защищенную нижнюю часть от кратковременных погодных явлений, таких как холода. Это защитная среда для колоний бактерий и водорослей. Когда морская вода замерзает, лед пронизан пути, заполненные рассолом, которые, такие как бактерии, водоросли, веслоногие рачки и кольчатые червецы, которые, в свою очередь, пищей для таких животных, как криль, и рыб, таких как лысый notothen, по очереди питаются более крупными животными, такими как императорские пингвины и полосатики.

Когда лед тает, он поглощает столько энергии, сколько потребуется, чтобы нагреть эквивалентную массу воды на 80 ° C. В процессе плавления температура остается постоянной на уровне 0 ° C. Во время таяния любая добавленная энергия разрывает водородные связи между молекулами льда (воды). Энергия становится доступной для увеличения энергии () только после разрыва достаточного количества воды водородных связей, чтобы лед было считать жидкой водой. Количество энергии, затрачиваемой на разрыв водородных связей при переходе от льда к воде, известно как теплота плавления.

. Как и в случае с водой, лед поглощает свет в красном цвете, преимущественно в результате обертона. растяжения связи кислород - водород (O - H). По сравнению с водой это поглощение смещено в сторону несколько меньших энергий. Таким образом, лед кажется голубым с чуть более зеленым оттенком, чем жидкая вода. Внутреннее покрытие способствует увеличению длинного прохода через лед.

Другие цвета могут появляться в присутствии светопоглощающих примесей, где примесь диктует цвет, а не сам лед. Например, айсберги, примеси (например, осадки, водоросли, пузырьки воздуха), могут иметь коричневый, серый или зеленый цвет.

Фазы

Зависимость таяния льда от давления

Лед может быть любым из 18 твердых твердых фаз

воды или в аморфном твердом состоянии при различных плотностях.

Большинство жидкостей при повышенном давлении замерзают при более высоких температурах, потому что давление помогает удерживать молекулы вместе. Сильные водородные связи в воде делают его другим: при некоторых давлениях выше 1 атм (0,10 МПа) вода замерзает при температуре 0 ° C, как показано на фазовой диаграмме ниже. Считается, что таяние под высоким давлением движений ледников.

Лед, вода и водяной пар могут сосуществовать в тройной точке, которая ровно 273,16 К (0, 01 ° C) при давлении 611,657 Па. кельвин был фактически определен как 1/273,16 разницы между этой тройной точкой и абсолютным нулем, хотя это определение изменилось на в мае 2019 года. В отличие от других твердых частиц, лед трудно перегреть. В эксперименте лед при -3 ° C был перегрет до примерно 17 ° C в течение примерно 250 пикосекунд.

Под воздействием более высокого давления и различных температурных лед может образовываться в 18 отдельных кристаллических фазах. Осторожно, по меньшей мере 15 из этих фаз (одним из известных ледников X) можно при атмосферном давлении и низкой температуре в метастабильную. Типы различаются по кристаллической структуре, порядку протоновческой и плотности. Есть две метастабильные фазы льда также под давлением, обе полностью неупорядоченные по водороду; это IV и XII. Лед XII был открыт в 1996 году. В 2006 году были обнаружены XIII и XIV. Льды XI, XIII и XIV предоставляют собой упорядоченные по водороду формы льдов I h, V и XII соответственно. В 2009 году лед XV был обнаружен при высоком давлении и температуре −143 ° C. Прогнозируется, что при еще более высоких давлениях лед станет металлом ; По разным оценкам это происходит при 1,55 ТПа или 5,62 ТПа.

Помимо кристаллических форм, твердая вода может существовать в аморфном состоянии в виде аморфного льда (ASW) различной плотности. В воде в межзвездной среде преобладает аморфный лед, что делает его наиболее распространенной формой воды во Вселенной. ASW низкой плотности (LDA), также известная как сверхзакаленная стекловидная вода, может быть причиной серебристых облаков на Земле и обычно образуется в результате осаждения водяного пара в условиях холода или вакуума. ПЛОС высокой плотности (HDA) образует при сжатии обычного льда I h или LDA при давлениих ГПа. ASW очень высокой плотности (VHDA) - это HDA, слегка нагретый до 160 К при давлении 1-2 ГПа.

В космическом пространстве гексагональный кристаллический лед (преобладающая форма, встречающаяся на Земле) крайне редко. Аморфный лед встречается чаще; однако гексагональный кристаллический лед может быть образован под вулканов.

Лед из теоретизированной суперионной воды может иметь две кристаллические структуры. При давлении, превышающем 500 000 бар (7 300 000 фунтов на квадратный дюйм), такой суперионный лед приобретал бы объемно-центрированную кубическую структуру. Однако при давлении, превышающем 1000000 бар (15000000 фунтов на квадратный дюйм), структура может сместиться в более стабильную гранецентрированную кубическую решетку.

Лог-лин давление-температура диаграмма состояния воды. Римские цифры некоторыми фазам льда, перечисленным ниже. Альтернативная формулировка фазовой диаграммы для некоторых льдов и других фаз воды
ФазаХарактеристики
Аморфный лед Аморфный лед - это лед без кристаллической структуры. Аморфный лед существует в трех формах: низкой плотности (LDA), образовавшейся при атмосферном давлении ниже, высокой плотности (HDA) и аморфного очень высокой плотности (VHDA), образующемся при более высоком давлении. LDA образует за счет ускоренного быстрого охлаждения жидкой воды («сверхзатушенная стекловидная вода», HGW), путем осаждения водяного пара на очень холодных субстратах («аморфная твердая вода», ASW) или путем нагревания форм льда с высокой плотностью при атмосферном давлении («LDA ").
Лед I h Обычный гексагональный кристаллический лед. Практически весь лед в биосфере - это лед I h, за исключением небольшого количества льда I c.
Ice I c Метастабильный кубический кристаллический вариант льда. Атомы кислородом защищены в алмаза. Он производится при температурах от 130 до 220 К и может существовать до 240 К, когда он превращается в лед I h. Иногда он может присутствовать в верхних слоях атмосферы.
Лед II A ромбоэдрическая кристаллическая форма с высокоупорядоченной структурой h путем его сжатия при температуре 190–210 К. При нагревании он превращается в лед III.
Ice III A тет рагональный кристаллический лед, образованное охлаждением воды до 250 К при 300 МПа. Наименее плотная из фаз высокого давления. Плотнее воды.
Лед IV Метастабильная ромбоэдрическая фаза. Его можно получить путем медленного нагревания аморфного льда высокой плотности при давлении 810 МПа. Он не образует легко без зародышеобразователя.
Ice V A моноклинная кристаллическая фаза. Образуется при охлаждении водой до 253 К при 500 МПа. Самая сложная структура из всех фаз.
Лед VI Тетрагональная кристаллическая фаза. Образуется при охлаждении водой до 270 К при 1,1 ГПа. Экспонаты релаксация Дебая.
Лед VII Кубическая фаза. Позиции органических веществ неупорядочены. Экспонаты Дебайского расслабления. Водородные связи образуют две взаимопроникающие решетки.
Лед VIII Более упорядоченная версия льда VII, в которой атомы водорода занимают фиксированные позиции. Он образует из льда VII при его охлаждении ниже 5 ° C (278 К).
Лед IX Тетрагональная фаза. Формируется постепенно из льда III при его охлаждении от 208 K до 165 K, стабильно ниже 140 K и давления от 200 до 400 МПа. Он имеет плотность 1,16 г / см, что немного выше, чем у обычного льда.
Ice X Симметричный лед, упорядоченный по протонам. Образуется при давлении около 70 ГПа.
Лед XI ромбическая, низкотемпературная равновесная форма гексагонального льда. Это сегнетоэлектрик. Лед XI считается наиболее стабильной конфигурацией льда I h.
Лед XII Тетрагональная, метастабильная, плотная кристаллическая фаза. Это происходит в фазовом пространстве льда V и льда VI. Его можно приготовить путем нагревания аморфного льда высокой плотности от 77 К примерно до 183 К при 810 МПа. Он имеет плотность 1,3 г см при 127 К (то есть примерно в 1,3 раза плотнее воды).
Лед XIII Моноклинная кристаллическая фаза. Образуется при охлаждении водой до температуры ниже 130 К при 500 МПа. Протонно-упорядоченная форма льда V.
Ice XIV Орторомбическая кристаллическая фаза. Образуется ниже 118 К при 1,2 ГПа. Упорядоченная по протонам форма льда XII.
Лед XV Упорядоченная по протонам формы льда VI, образованная при охлаждении воды до примерно 80–108 К при 1,1 ГПа.
Лед XVI Наименее плотная кристаллическая форма воды, топологически эквивалентная пустая структура sII клатратных гидратов.
Квадратный ледКвадратные кристаллы образуются при комнатной температуре при сжатии льда между двумя слоями графена. Материал представлял собой новую кристаллическую фазу льда, присоединившуюся к 17 другим, когда о нем впервые было сообщено в 2014 году. Исследование основано на более раннем открытии, что водяной пар и жидкая вода могут проходить через ламинированные листы оксид графена, в отличие от более мелких молекул, таких как гелий. Считается, что эффект вызван силой Ван-дер-Ваальса, которая может иметь давление более 10 000 атмосферный.

Свойства трения

Замерзший водопад на юго-востоке Нью-Йорк

Низкий коэффициент трения («скользкость») льда объясняется давлением объекта, который соприкасается со льдом, тает тонкий слой льда и позволяет объекту скользить по поверхности.. Например, лезвие конька при нажатии на лед плавит слой, смазку между льдом и лезвием. Это объяснение, получившее название «плавление под давлением», возникло в 19 веке. Однако в нем не учитывается катание на льду с температурой ниже -4 ° C (25 ° F; 269 K), которая часто используется.

Вторая теория, описывающая коэффициент трения льда, предполагает, что молекулы льда на границе раздела не могут должным образом связываться с молекулами массы льда внизу (и, таким образом, могут свободно перемещаться, как молекулы жидкой воды). Эти молекулы остаются в полужидком состоянии, независимо от давления на лед, оказываемого каким-либо предметом. Однако значимость этой гипотезы оспаривается экспериментами, показывающими высокий коэффициент трения для льда с использованием атомно-силовой микроскопии.

Третьей теорией является «нагрев трением», который предполагает, что трение льда материал является причиной таяния слоя льда. Однако эта теория недостаточно объясняет, почему лед становится скользким, когда он стоит на месте, даже при отрицательных температурах.

Комплексная теория трения льда учитывает все вышеупомянутые механизмы трения. Эта модель позволяет количественно оценить коэффициент трения льда о различные материалы в зависимости от температуры и скорости скольжения. В типичных условиях, связанных с зимними видами спорта и шинами транспортного средства на льду, таяние тонкого слоя льда из-за нагрева трением является основной причиной скользкости. Механизм контроля фрикционных свойств льда до сих пор является активной областью научных исследований.

Естественное образование
Пуховый лед на плато около Альта, Норвегия. Кристаллы образуются при температурах ниже -30 ° C (-22 ° F).

Термин, который в совокупности описывает все части поверхности Земли, где вода находится в замороженной форме, - это криосфера. Лед - важный компонент глобального климата, особенно в отношении круговорота воды. Ледники и снежные покровы являются важным механизмом накопления пресной воды; со временем они могут сублимироваться или таять. Таяние снега - важный источник сезонной пресной воды. Всемирная метеорологическая организация определяет несколько видов льда в зависимости от происхождения, размера, формы, влияния и т. Д. Клатратные гидраты - это формы льда, которые содержат молекулы газа, заключенные в его кристаллическую решетку.

В океанах

Лед, который встречается в море, может иметь форму дрейфующего льда, плавающего в воде, припая, закрепленного на береговой линией или якорным льдом, если он прикреплен к морскому дну. Лед, который детеныш (отламывается) от шельфового ледника или ледника, может стать айсбергом. Морской лед может быть сдвинут течениями и ветрами, образуя хребты давления высотой до 12 метров (39 футов). Навигация по участкам морского льда осуществляется в проливах, называемых «полынья » или «ведущие », или требует использования специального судна под названием «ледокол ».

На суше и сооружениях

Лед на лиственных деревьях после ледяного дождя

Лед на суше варьируется от самого большого типа, называемого «ледяной покров », до меньшего ледяные шапки и ледяные поля до ледников и ледяные потоки до линии снега и снежныеполя.

Aufeis слоистый лед, образующийся в долинах рекктики и Субарктики. Лед, замороженный в русле ручья, блокирует нормальный сток грунтовых вод и вызывает местного уровня грунтовых вод, что приводит к сбросу воды поверх мерзлого слоя. Затем эта вода замерзает, в результате чего уровень грунтовых вод поднимается дальше и повторяет цикл. В результате образуется слоистый ледяной покров, толщиной в несколько метров.

Ледяной дождь - это разновидность зимнего шторма, называемого ледяным штормом, когда дождь падает, а затем замерзает, образуя лёд. Лед также может образовывать сосульки, похожие на сталактиты по внешнему виду или на сталагмиты -подобные формы, когда вода капает и повторно замерзает.

Термин «ледяная плотина» имеет три значения (другие обсуждаются ниже). На конструкциях ледяная плотина - это скопление льда на наклонной крыше, которое не позволяет вызвать утечки воды в зданиих.

На реках и ручьях

Небольшая замерзшая речушка

Лед, образся на движущейся воде, имеет тенденцию быть менее однородным и устойчивым, чем лед, образующийся на спокойной воде. Ледяные заторы (иногда называемые «ледяными плотинами»), когда скапливаются обломки льда, являются самой большой ледовой угрозой на реках. Ледяные заторы могут вызвать наводнения, повредить сооружения в реке или повредить рядом с ней и повредить суда на реке. Ледяные заторы могут привести к полной остановке некоторых гидроэнергетических промышленных объектов. Ледяная плотина - это преграда от движения ледника, который может образовать прогляциальное озеро. Сильные ледовые потоки в реках также могут повредить суда и потребовать использования ледокола для обеспечения возможности навигации.

Ледяные диски - это круглые образования льда, окруженные водой в реке.

Блинный лед - ледяные образования, обычно образующиеся в районах с менее спокойными.

На озерах

Лед образуется на спокойной у береговым тонким слоем, растекающимся по поверхности, а затем вниз. Лед на озерах обычно бывает четырех типов: первичный, вторичный, наложенный и агломератный. Первым образуется первичный лед. Вторичный лед образует под первичным льдом в направлении, параллельном направлении теплового потока. Наложенный лед образует поверх ледяной поверхности из-за дождя или воды, которая просачивается через трещины во льду, который часто оседает при загрузке снегом.

Шельфовый лед возникает, когда плавающие куски льда двигаются ветром, накапливающимся наветренном берегу.

Свечной лед представляет собой форму тухлого льда, который образуется столбиками, перпендикулярными поверхностью озера.

В воздухе

Образование льда на внешней стороне лобового стекла автомобиля

Инейный лед

Иней - это тип льда, образующийся на них холодных объектов, когда на кристаллизуются капли воды. Это можно наблюдать в туманную погоду, когда ночью понижается. Мягкая изморозь содержит большое количество захваченного воздуха, из-за чего он кажется белым, а не прозрачным, и придает ему плотность примерно в четверть плотности чистого льда. Твердый изморозь сравнительно плотный.

Гранулы льда

Скопление гранул льда

Гранулы льда представляют собой форму осадков, состоящих из небольших полупрозрачных шариков льда. Эта форма осадков также упоминается как «мокрый снег» в Национальной метеорологической службе США. (В британском английском «мокрый снег» означает смесь дождя и снега.) Ледяные шарики обычно меньше по размеру, чем град. Они часто подпрыгивают, когда ударяются о землю, и обычно не превращаются в твердую массу, если не смешаны с ледяным дождем. Код METAR для ледяной крупы - PL.

Ледяная крупа образуется, когда слой воздуха выше нуля находится на высоте от 1500 до 3000 метров (от 4900 до 9800 футов) над землей, при этом замораживающий воздух как над ним, так и под ним. Это приводит к частичному или полному таянию снежинок, выпадающих из теплого слоя. Когда они снова падают в слой ниже замерзания, ближе к поверхности, они снова замерзают в ледяные шарики. Однако, если слой ниже замерзшего слоя слишком мал, осадки не успеют снова замерзнуть, и на поверхности будет образовываться ледяной дождь. Температурный профиль, показывающий теплый слой над землей, скорее всего, будет обнаружен перед теплым фронтом в холодное время года, но иногда может быть обнаружен за проходящим холодным фронтом.

Град

Крупный град диаметром около 6 см (2,4 дюйма)

Как и другие осадки, град образуется в штормовых облаках, когда переохлажденные капли воды замерзают при контакте с ядра конденсации, такие как пыль или грязь. Восходящий поток шторма разносит град в верхнюю часть облаков. Восходящий поток рассеивается, и градины падают обратно в восходящий поток и снова поднимаются вверх. Град имеет диаметр 5 миллиметров (0,20 дюйма) или больше. В коде METAR GR используется для обозначения более крупного града размером не 6,4 миллиметра (0,25 дюйма) и GS для меньшего. Камни размером чуть больше мяча для гольфа являются одним из наиболее часто встречающихся размеров града. Град может вырасти до 15 сантиметров (6 дюймов) и весить более 0,5 килограмма (1,1 фунта). Крупная градах скрытая теплота, выделяемая при дальнейшем замораживании, может расплавить внешнюю оболочку градин. Град затем может подвергаться «мокрому внешняя оболочка», когда жидкая внешняя оболочка собирает другие более мелкие градины. Градина покрывается слоем льда с каждым подъемом все больше. Как только град становится слишком тяжелым, чтобы выдержать восходящий поток шторма, он падает из облаков.

Градформируется в сильных грозовых облаках, особенно с сильными восходящими потоками, высокой жидкой водой, большой вертикальной протяженностью, большими каплями воды и большой частью облачного слоя ниже 0 ° C (32 ° F). Облака, производящие град, часто можно отличить по их зеленой окраске. Скорость роста максимальна примерно при -13 ° C (9 ° F) и становится исчезающе малой ниже -30 ° C (-22 ° F), как капли переохлажденной воды становятся редкими. По этой причине наиболее распространенным явлением в континентальной части средней широт, поскольку образование града значительно более вероятно, когда уровень замерзания высоты 11 000 футов (3400 м). Унос сухого воздуха в сильных грозы над континентами может увеличить частоту выпадения града, способствуя испарительному охлаждению, которое снижает уровень замерзания грозовых облаков, давая граду больший объем для роста. Соответственно, практика на самом деле используется в тропиках, несмотря на более высокую частоту гроз, чем в средних широтах, потому что атмосфера над тропиками имеет тенденцию быть теплее на гораздо большей глубине. В тропиках град в основном на возвышенностях.

Снег

Снежинки от Уилсон Бентли, 1902 г.

Кристаллы снега образуются при крошечных переохлажденных облачные капли (размером около 10 мкм ) замерзают. Эти капли могут быть жидкими при температуре ниже -18 ° C (255 K; 0 ° F), потому что для замерзания несколько молекул в капле должны случайно собраться вместе, чтобы сформировать структуру, аналогичную той, что есть во льду. решетка; затем капля замерзает вокруг этого «ядра». Эксперименты показывают, что это «гомогенное» зарождение облачных капель происходит при температуре ниже -35 ° C (238 K; -31 ° F). В более теплых облаках аэрозольная частица или «ледяное ядро» должны присутствовать в капле (контакте с ней), чтобы действовать как ядро. Наше понимание того, из каких частиц образуются эффективные ледяные ядра, недостаточно - мы знаем, что они образуются жидкие капли. Глины, пустынная пыль и биологические частицы могут быть эффективными, хотя в какой степени неясно. Искусственные ядра используются в засева облаков. Затем капля растет за счет конденсации водяного пара на поверхности льда.

Алмазная пыль

Так называемая «алмазная пыль», также известная как ледяные иглы или ледяные кристаллы, образует при температурех, приближающихся к -40 ° C (-40 ° F) из-за воздуха с небольшой более высокой влажностью из-за смешивания с более холодным поверхностным воздухом. Идентификатор METAR для алмазной пыли в международных почасовых сводках погоды - IC.

Удаление льда

Удаление льда относится как к таяния, так и к его растворению.

В свежей среде окружающей среды плавление содержится фазовый переход из твердого состояния в жидкость.

Растопить лед означает разрыв водородных связей между молекулами воды. Упорядочение молекул в твердом теле разрушается до упорядоченного состояния, и твердое тело плавится, превращаясь в жидкость. Это достигается за счет увеличения внутренней энергии льда за пределами точки плавления. Когда лед тает, он поглощает столько энергии, сколько требуется для системы эквивалентного количества воды на 80 ° C. Во время таяния температура поверхности льда остается на постоянной на 0 ° C. Скорость процесса плавления зависит от процесса эффективности энергообмена. Поверхность льда в пресной воде тает исключительно за счет свободной конвекции со скоростью, которая линейно зависит от температуры воды, T ∞, когда T ∞ меньше 3,98 ° C, и сверхлинейно, когда T ∞ равно или больше 3,98 ° C, со скоростью, пропорциональной (T ∞ - 3,98 ° C), с α = 5/3 для T ∞ намного больше 8 ° C, и α = 4/3 для промежуточных температур T ∞.

В соленых условиях окружающей среды растворение, а не плавление часто вызывает абляцию льда. Например, температура Северного Ледовитого океана обычно ниже точки плавления абляции морского льда. Фазовый переход от твердого вещества к жидкости достигается путем смешивания соли и молекул воды, аналогично растворению сахара в воде, даже если температура воды ниже точки плавления сахар. Следовательно, скорость растворения ограничена переносом энергии, тогда как таяние может происходить с гораздо более высокими скоростями, характерными для переноса тепла.

Роль в человеке

Люди веками использовали лед для охлаждения и сохранение продуктов питания, полагаясь на заготовку натурального льда в различных формах, переходя к механическому производству материала. Лед также представляет собой условия для использования в различных формах и проблему для занятий зимними видами спорта.

Охлаждение

Лед издавна ценился как средство охлаждения. В 400 г. до н.э. Иран персидские инженеры уже освоили технику хранения льда посреди лета в пустыне. Лед привозили зимой с близлежащих гор в больших количествах и хранилищах в специально разработанных холодильниках с естественным охлаждением, которые называются яхчал (что означает хранилище льда). Это было большое подземное пространство (до 5000 м) с стенами (не менее двух метров у основания), сделанными из специального под названием сарудж, состоящего из песка, глины, яичных белков, извести, козья шерсть и ясень в определенных пропорциях, которые, как известно, устойчивы к теплопередаче. Эта смесь считалась полностью непроницаемой для воды. Пространство часто имело доступ к канату и часто используется ловушек ветра, которые могли легко снизить температуру внутри помещения до холодного уровня в летние дни. Лед использовал для охлаждения угощений для королевской семьи.

Сбор урожая

Сбор льда на озере Сент-Клер в Мичигане, c. 1905

В Англии XVI - XVII веков процветала промышленность, в результате чего низменные районы вдоль устья Темзы были затоплены зимой, а ледли на тележках и хранилищах в утепленных деревянных домах в межсезонье. Ледяной домик часто используется в больших загородных домах и широко использует для сохранения свежести рыбы, пойманной в отдаленных водах. Это якобы скопировал англичанин, который видел то же самое в Китае. Лед в значительных масштабах завозился в Англию из Норвегии еще в 1823 году.

В Соединенных Штатах первая партия льда была отправлена ​​из Нью-Йорка в Чарльстон, Южная Каролина, в 1799 г. и к первой половине 19-го века сбор льда превратился в крупный бизнес. Фредерик Тюдор, который стал известен как «Ледяной Король», работал над улучшением изоляционных материалов для перевозки льда на большие расстояния, особенно в тропики; это стало известно как торговля льдом.

Триест отправил лед в Египет, Корфу и Занте ; Швейцария отправила его во Францию; а в Германию иногда поступали из баварских озер. В здании венгерского парламента для кондиционирования использовался лед, собранный зимой из озера Балатон.

Ледяные камеры использовались для хранения льда, образующегося зимой, для обеспечения доступности льда в течение всего года, а первые холодильники были известны как морозильные камеры, потому что у них был глыба льда в них. Во многих городах летом была обычная услуга по доставке льда . С появлением технологии искусственного охлаждения поставка льда стала устаревшей.

Лед все еще собирают для событий по созданию ледяных и снежных скульптур. Например, пила-качалка используется для получения льда для Харбинского международного фестиваля ледовых и снежных скульптур каждый год с замерзшей поверхности реки Сунгари.

Механическое производство

План завода по производству льда в конце XIX века

Лед сейчас производится в промышленных масштабах, включая хранение и переработку пищевых продуктов, химическое производство, смешивание и отверждение бетона, а также потребительский или упакованный лед. Большинство коммерческих ледогенераторов производят три основных типа рваного льда: чешуйчатый, трубчатый и пластинчатый, используя самые разные техники. Льдогенераторы большой партии могут выдавать до 75 тонн льда в сутки. В 2002 году в Соединенных Штатах было 426 коммерческих компаний по производству льда, общая стоимость поставки которых составила 595 487 000 долларов США. Домашние холодильники также могут быть лед с помощью встроенного льдогенератора, который обычно производит кубики льда или колотый лед. Автономные ледогенераторы, которые делают кубики, часто называют льдогенераторами.

Транспортировка

Лед может создать проблемы для безопасной транспортировки по суше, морю и воздуху.

Путешествие по суше

Потеря контроля над льдом из-за сочлененного автобуса

Обледенение дорог представляет собой опасную зимнюю опасность. Черный лед очень трудно увидеть, потому что на нем отсутствует ожидаемая морозная поверхность. Когда идет ледяной дождь или снег при температуре, близкой к температуре плавления, на окнах транспортные средства обычно образуется лед. Безопасное вождение требует удаления льда. Скребки для льда - это инструменты, предназначенные для того, чтобы выламывать лед и очищать окна, хотя удаление льда может быть долгим и трудоемким процессом.

Достаточно далеко ниже точки замерзания тонкий слой кристаллов льда может образовываться на внутренней поверхности окон. Обычно это происходит, когда транспортное средство оставлено в покое после некоторого времени вождения, но может случиться и во время движения, если наружная температура достаточно низкая. Источником воды для кристаллов является влага из дыхания водителя. Эту форму льда трудно удалить, поэтому люди часто используют обогреватели заднего стекла, чтобы решить проблему, когда автомобиль припаркован, чтобы решить проблему. Аналогичная проблема может потребоваться одна из причин, почему во многих более холодных регионах окна с двойным остеклением для изоляции.

Когда температура наружного воздуха остается ниже нуля в течение длительных периодов времени, очень толстые слои льда могут образоваться на и других водоемы, хотя в местах с проточной водой требуются более низкие температуры. Лед может стать достаточно толстым, чтобы по нему проехать автомобили и грузовики. Для безопасного выполнения этой процедуры потребуется толщина не менее 30 см (одна фут).

Путешествие по воде

Канал сквозь лед для движения судов на озере Гурон с ледоколами на заднем плане

Для судов лед представляет две различные опасности. Брызги и ледяной дождь могут привести к наведению на лед надстройке судна, которое сделает его нестабильным и потребует его отрубания или растопления с помощью паровых шлангов. А айсберги - большие массы льда, плавающие в воде (обычно образующиеся, когда ледники достигают моря) - могут быть опасными, если их ударит корабль во время движения. Айсберги были ответственны за гибель многих кораблей, самым известным из которых был Титаник. Для гавани рядом с полюсами отсутствие льда является важным преимуществом. В идеале круглый год. Примеры: Мурманск (Россия), Петсамо (Россия, бывшая Финляндия) и Вардё (Норвегия). Незамерзающие гавани открываются с помощью ледоколов.

Воздушный транспорт

Инейный лед на передней кромке крыла самолета, частично освобождаемый черным пневматическим чехлом.

Для самолетов: Лед может вызвать ряд опасностей. Когда самолет набирает высоту, он проходит через слои воздуха с разной температурой и влажностью. Обледенение крыльев или поверхностей может отрицательно сказаться на летных качествах самолета. Во время первого беспосадочного перелета через Атлантику британские летчики капитан Джон Алкок и лейтенант Артур Уиттен Браун столкнулись с такими условиями обледенения - Браун покинул кабину и несколько раз забирался на крыло, чтобы удалить лед, покрывавший воздухозаборники двигателей самолета Vickers Vimy, на котором они летели.

Одна уязвимость, вызванная обледенением, связанная с поршневыми двигателями внутреннего сгорания, - это карбюратор. Когда воздух всасывается через карбюратор в двигатель, местное давление воздуха понижается, что вызывает адиабатическое охлаждение. Таким образом, во влажных условиях, близких к замерзанию, карбюратор будет холоднее и склонен к обледенению. Это заблокирует подачу воздуха в двигатель и вызовет его отказ. По этой причине авиационные поршневые двигатели с карбюраторами снабжены нагревателями воздухозаборника карбюратора. Все более широкое использование впрыска топлива, для которого не требуются карбюраторы, сделало «карбюраторное обледенение» менее проблемой для поршневых двигателей.

Реактивные двигатели не испытывают обледенения карбюратора, но недавние данные показывают, что их можно замедлить, повернуть внутреннее обледенение в типах атмосферных условий намного легче, чем считалось ранее. В большинстве случаев двигатели могут быть быстро перезапущены, и исследования продолжаются, чтобы определить такие условия, которые вызывают этот тип обледенения, и найти наилучшие методы предотвращения или устранения его в полете.

Отдых и спорт

Катание на коньках голландского художника 17 века Хендрик Аверкамп

Лед также играет центральную роль в зимнем отдыхе и во многих самых, таких как катание на коньках, конькобежный спорт, хоккей, хоккей с мячом, подледная рыбалка, ледолазание, керлинг, метла и гонки на санях по бобслею, санному спорту и скелетону. Многие из различных видов спорта, привлекают международное внимание через четыре игры зимних олимпийских игр.

Парусная лодка на лопастях дает начало катанию на льду. Еще один вид спорта - гонки на льду, где водители должны двигаться по льду озера, одновременно контролируя занос своего автомобиля (в некотором роде аналогично гонкам по грунтовой дороге ). Этот вид спорта был модифицирован для катков.

Другое применение

В качестве теплового балласта

В качестве конструкционного материала

Ледяной пирс во время грузовых операций 1983 года. Станция Мак-Мердо, Антарктика
  • Инженеры использовали пир значительную прочность паковых льдов при строительстве плавучего ледяногоса в Антарктиде в 1973 году. Такие ледовые пирсы используются во время грузовых операций для погрузки и разгрузки. корабли. Оперативный флота делает плавучий пирс зимой. Они строятся на естественной замороженной морской воде в проливе Мак-Мердо, пока док не достиг глубины около 22 футов (6,7 м). Срок службы ледяных пирсов составляет от трех до пяти лет.
  • Конструкции и ледяные скульптуры строятся из больших кусков льда или путем разбрызгивания воды. Конструкции в основном декоративные (как в случае с ледяными замками ), для длительного проживания нецелесообразно. Ледяные отели существуют сезонно в нескольких холодных регионах. Иглу - еще один пример временного сооружения, сделанного в основном из снега.
  • В холодном климате дороги регулярно готовятся на обледенелых озерах и на участках архипелага. Временно даже железная дорога была построена по льду.
  • Во время Второй мировой войны проект Хаббакука был программой союзников, которая исследовала использование рита (смешанные как древесные волокна со льдом) в возможном материале для военных кораблей, особенно авианосцев, из-за легкости, с крутизной, невосприимчивое к торпедам, и большой палубы можно было построить изо льда. Был построен небольшой прототип, но необходимость в таком судне во время войны устранена до полномасштабного строительства.
  • Лед даже использовался в качестве материала для различных музыкальных инструментов, например, ударник Терье Исунгсет.
«Лед» из других материалов

Твердые фазы других летучих веществ также называют льдом; как правило, летучие вещества классифицируются как лед, если его температура плавления выше или около 100 К. Наиболее распространенным примером является сухой лед, твердая форма двуокиси углерода.

«магнитный аналог» льда также реализуется в некоторых изоляционных магнитных материалах, в которых магнитные моменты имитируют положение протонов в водяном льду и подчиняются энергетическим ограничения, подобными правилами Бернала-Фаулера для льда, имеющим из геометрического расстройства протонной конфигурации в водяном льду. Эти материалы называются вращающимся льдом.

См. Также
  • icon Водный портал
Ссылки
Внешние ссылки
Найдите лед в Викисловаре, бесплатном подходе.
Викискладе есть материалы, связанные с Ice.
Wikisource текст Справочная работа нового студента статья »Лед ".
Последняя правка сделана 2021-05-23 10:02:19
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте