Увеличение стойкости льда при плюсовой температуре
Увеличение стойкости льда при плюсовой температуре
Вопрос:
Здрасти. Меня зовут Сергей. Я являюсь обладателем ледового комплекса в г.Винница (Украина). Меня интересует либо может быть повысить устойчивость льда при плюсовой температуре без дополнительных издержек электроэнергии. Очень недешево содержать лёд летом. Я читал статьи по поводу метана в воде, молекул белка и по поводу тяжёлой воды D2O. Не знаю как это применить на практике.
Ответ:
В природе существует 14 модификаций льда. Правда, все, не считая обычного нам льда, кристаллизующего в гексагональной сингонии и обозначающегося как лёд I , образуются в критериях экзотичных — при очень низких температурах (порядка -110150 0С ) и больших давлениях, когда углы водородных связей в молекуле воды меняются и образуются системы, хорошие от гексагональной. Такие условия напоминают галлактические и не встречаются на Земле. К примеру, при температуре ниже –110 °С водяные пары выпадают на железной пластинке в виде октаэдров и кубиков размером в несколько нанометров — это так именуемый кубический лед. Если температура чуток выше –110 °С, а концентрация пара очень мала, на пластинке формируется слой только плотного бесформенного льда.
Природный лёд I обычно существенно чище, чем вода, т.к. растворимость веществ (не считая NH4F) во льде очень низкая. А вот лёд II напротив стабилизуется исключительно в присутствии следовых количеств газов; в чистом виде его никто не получал из-за его непостоянности. Если, к примеру, давление делают с помощью гелия, он обязательно растворится в замерзающей воде. Есть сведения, что аргон — другой инертный газ, применимый для использования в этой установке, — тоже способен давать со льдом твёрдые смеси. Но исследованием таких клатратных соединений льда с великодушными газами специально никто не занимался.
Размещен лёд II на диаграмме состояния меж льдом III и льдом IX. Они различаются меж собой упорядочением протонов, кислородный же каркас у них схож: спирали из одних молекул воды, будто бы нанизанные на оси из других молекул воды. Когда же вероятности протона занять то или иное место равны, лёд будет неупорядоченным.
Диаграмма состояния кристаллических льдов
Но, все опыты с экзотичными льдами, обычно, связаны с их охлаждением до температур сухого льда, водянистого азота, а то и гелия, а также со сжатием до давления в тысячи атмосфер. Общее представление о результатах можно получить, смотря на рисунок, где показана диаграмма состояния кристаллических льдов.
Многие льды высочайшего давления можно сохранить и при нормальном давлении. Для этого их охлаждают в жидком азоте, а затем давление сбрасывают. Конкретно на таких закалённых льдах и были проведены главные исследования. Они показали, что их строение очень многообразно.
Структуру первого льда высочайшего давления, льда II, обусловили на заре исследовательских работ в этой области, когда появились 1-ые массивные приборы для рентгеноструктурного в 1964 году. Как оказалось, этот лёд состоит из полых колонок, образованных шестизвенными гофрированными циклами. Любая колонка окружена шестью такими же колонками, сдвинутыми друг относительно друга на треть периода. Структуру этого льда можно получить, если часть сот льда Ih развалить и превратить их в ажурные каркасы, связывающие другие соты. При этом размер получившихся шестигранных каналов очень увеличивается — конкретно у льда II самые широкие каналы, их диаметр составляет 3 ?. В таких каналах могут размещаться атомы гелия, неона и даже молекулы водорода.
Структура льда II (слева)
Получить гидраты великодушного газа, к примеру, гелия на базе льда II можно 2-мя методами. Во-1-х, приложить (в атмосфере гелия) к воде давление в 0,28–0,5 ГПа и охладить её до 250–270К. Хотя в этой области диаграммы размеренны льды III и V, получится гидрат на основе льда II. Что интересно, протоны в нём уже упорядочены. (Обычно они упорядочиваются только при сильном охлаждении уже получившегося льда.)
Во-2-х, можно растворить гелий во льду Ih при низкой температуре и давлении 0,3 ГПа. Возникновение гелия приводит к расширению кристаллической решётки, и затем её нагрев до 180К помогает пройти структурному превращению.
Относительная лёгкость получения твёрдых смесей в льду II, а также его высочайший потенциал в качестве хранилища газообразного водорода (одна молекула газа на шесть молекул воды) завлекают к нему внимание учёных-практиков: на данный момент интенсивно дискуссируется возможность его внедрения в водородной энергетике.
Относительно стойкости льда при плюсовых температурах, к огорчению, процесс таяния льда, т.е. процесс фазового перехода льда из твердого состояния в жидкое, вызывающий уменьшение его прочности, толщины и горизонтальных размеров, прямо до полного исчезновения льда, нельзя уменьшить одними физико-химическими параметрами: обессоливанием воды, внедрением дистиллята и др.
К огорчению, процесс таяния льда, т.е. процесс фазового перехода льда из твердого состояния в жидкое, вызывающий уменьшение его прочности, толщины и горизонтальных размеров, прямо до полного исчезновения льда, нельзя уменьшить одними физико-химическими параметрами: обессоливанием воды, внедрением дистиллята и др.
Устойчивость льда – это многофакторный парадокс, зависящий от многих причин, которые необходимо учесть при расчётах:
ТВЕРДОСТЬ ЛЬДА. Способность льда оказывать сопротивление проникновению другого тела, не получающего остаточных деформаций. Определяется как отношение действующей нагрузки Р к поверхности образовавшейся вмятины S. Твердость Н = P/S является средним значением давления во вмятине. Зависимо от температуры льда и времени приложения нагрузки (недлинному времени соответствует динамическая твердость, долговременному — статическая твердость) значения Н могут различаться более чем на порядок.
ТЕКСТУРА ЛЬДА. Особенность строения льда, обусловленная пространственными расположениями воздушных, минеральных и органических включений.
С учетом воздушных включений лед разделяется на цельный (лишенный видимых включений) и пористый (с наличием включений, которые могут иметь равномерное, слоистое и вертикально-волокнистое рассредотачивание).
По размеру включений лед разделяется на: мелкопузыристый (включения наименее 0,2 мм), среднепузыристый (включения от 0,2 до 0,5 мм), крупнопузыристый (включения от 0,5 до 1,0 мм), крупно-полостной (включения более 1,0 мм).
Форма включений бывает округлая, трубчатая, ветвистая и трансформирующаяся. По происхождению включения разделяются на первичные (аутогенные), вторичные (ксеногенные) и с нарушенной текстурой (катакластические).
ТЕМПЕРАТУРА ПЛАВЛЕНИЯ ЛЬДА. Температура, при которой происходит плавление льда при неизменном наружном давлении. Плавление морского льда происходит не при определенной температуре, как у пресного льда, а безпрерывно, начиная с момента, когда температура ниже 0°С до температуры замерзания морской воды данной солености.
Рис. слева — Ход температуры во льду во времени при подводе к нему теплоты
1 — 2 — нагревание льда; 2 — 3 — плавление льда: 3 — 4— нагревание воды; tпл —температура плавления льда.
Плавление льда при атмосферном давлении происходит при температуре 0,01°С (в практических расчетах принимают 0°С). Количество теплоты, которое нужно сказать 1 кг льда, находящемуся при температуре плавления, для перевоплощения его в воду, именуют удельной теплотой плавления Lпл. Удельная теплота плавления пресноводного льда при обычных критериях равна удельной теплоте кристаллизации воды 33,3·104 Дж/кг.
ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТЬ ЛЬДА (КОЭФФИЦИЕНТ ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ). Параметр, характеризующий скорость конфигурации температуры льда в нестационарных термических процессах. Коэффициент температуропроводности льда
a = ?/Cp?),
где Cp — удельная теплоемкость льда при неизменном давлении, ? — плотность льда, ?— коэффициент теплопроводимости, численно равен увеличению температуры единицы объема льда в итоге термического потока, соответственного коэффициенту теплопроводимости Cp.
ТЕНЗОР ДЕФОРМАЦИИ ЛЬДА. Совокупа деформаций нескончаемо малого параллелепипеда льда, выделенного около данной точки. Представляет собой симметричный тензор 2-го ранга
Деформированное состояние элемента льда считается известным, если известны составляющие тензора деформации льда.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ Крепкость ЛЬДА. Свойство льда, которое характеризуется расчетным значением напряжения, при котором мог бы произойти одновременный разрыв всех межатомных связей на поверхности разрыва. Как и у других жестких тел, оценивается значением 0,1 Е, где Е — модуль Юнга льда.
Обычно фактические значения прочности на несколько порядков ниже теоретических. Причина низкой прочности льда — неравномерное рассредотачивание внутренних напряжений; межатомные связи нагружены неодинаково, а в атомной структуре тел имеются слабенькие места.
При сложении одноименных наружных и внутренних напряжений появляются локальные перенапряжения, которые могут достигнуть значений теоретической прочности, приводя к разрыву межатомных связей. В слабеньких местах структуры под действием огромных локальных напряжений разрыв межатомных связей происходит совсем не сложно—так зарождаются разрывы сплошности тела. Рост и слияние разрывов сплошности образует макроскопическую трещинку, развитие которой приводит к разрушению тела. Теоретическую крепкость также именуют безупречной прочностью, плотностью сил когезии (т. е. сил молекулярного взаимодействия частей 1-го и такого же тела) либо просто когезией, которая может быть охарактеризована теплотой (работой) испарения.
ТЕПЛОЕМКОСТЬ ЛЬДА. Одна из главных термодинамических черт льда, отражающая степень его нагрева в итоге количества теплоты, приобретенной льдом. В практических расчетах обычно употребляют удельную теплоемкость льда, понимая под этим количество теплоты, которое нужно сказать единице массы льда, чтоб повысить его температуру на 1 К. Теплоемкость пресноводного льда миниатюризируется с снижением температуры (от 2,12 кДж/(кг*К) при 0°С), стремясь к нулю при О К.
Теплопроводимость ЛЬДА (КОЭФФИЦИЕНТ Теплопроводимости). Величина, характеризующая процесс переноса термический энергии в неравномерно нагретом льду, приводящий к выравниванию температуры. Теплопроводимость является коэффициентом пропорциональности меж плотностью термического потока q и градиентом температуры Т, входящих в известное уравнение
q= — ? grad T.
Теплопроводимость льда численно равна плотности термического потока при разности температуры 1К на единицу расстояния. С снижением температуры теплопроводимость растет. Согласно теоретическим расчетам и бессчетным экспериментальным данным, при температуре ~0°С теплопроводимость пресноводного льда равна ~2,22 Вт/(м*К).
Тепловое РАЗРУШЕНИЕ. Разрушение ледяного покрова вследствие его таяния при повышении температуры воздуха. Тепловое разрушение уменьшает крепкость льда, изменяет его структуру и текстуру, уменьшает горизонтальные размеры и др.
Наружными проявлениями теплового разрушения ледяного покрова являются взлом и дробление льдов, закрепляемые последующими сроками их возникновения: дата начала вешнего взлома (денек, когда произошел откол части припая, денек возникновения первых признаков таяния и понижения его прочности); дата первой вешней подвижки припая (денек, когда видимая площадь припая (кроме его подошвы), расчлененного огромным количеством трещинок, испытала горизонтальный сдвиг, сохранив при всем этом обоюдное положение блоков льда; дата окончательного разрушения припая (денек, когда произошел распад припая на блоки льда, которые сместились относительно друг дружку, понизив тем сплоченность льда).
Трещинкы В ЛЕДЯНОМ ПОКРОВЕ. Нарушения сплошности ледяного покрова, представляющие из себя зону, в какой прекращается взаимодействие меж ионами и атомами кристаллической решетки на различных ее сторонах. Образуются в итоге разрыва либо разлома, как итог превышения прочности льда на растяжение, сжатие, извив и сдвиг. Трещинкы в ледяном покрове разделяются по генетическим и морфологическим признакам.
По морфологическим признакам трещинкы разделяются на последующие виды.
По форме в плане их простирания — прямые (прямолинейные, конусновидные, щелевидные), изогнутые (дугообразные, кулисообразные, радиальные), изломанные (извилистые, синусоидные, циклоидные).
По форме разреза краев трещинок—гладкие, неровные, зазубренные.
По длине—внутриблоковые (длиной до 5 км), межблоковые (длиной до 100 км), магистральные (длиной в несколько сотен км).
По величине раскрытия—узенькие (шириной до 5 м), средние (шириной от 5 до 15 м), широкие (шириной до 50 м).
По глубине проникания — сияющие, нераскрывшиеся.
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ (Тепловые) Характеристики ЛЬДА. Характеристики льда, определяющие условия теплопередачи и формирования температуры льда показаны в таблице 1.
Tаблица 1
Теплофизические характеристики пресноводного льда
t, 0С
сл, кДж/(кг?К)
? л, кг/м3
?л, Вт/(м?К)
ал 106, м2/с
0
2,12
916,4
2,23
1,2
-5
2,08
917,4
2,24
1,2
-10
2,04
918,2
2,25
1,2
-15
1,99
919,1
2,27
1,24
-20
1,96
919,96
2,29
1,3
-25
1,92
920,8
2,31
1,3
-30
1,88
920,8
2,32
1,34
Удельная теплота сублимации (возгонки) льда равна сумме удельной теплоты плавления льда и удельной теплоты испарения воды; при 0°С она равна Lвоз = 33,3·104 + 250·104 = 283,3·104 Дж/кг.
Коэффициент теплопроводимости льда ? принимают в среднем равным 2,24Вт/(м·°С). С увеличением температуры ? миниатюризируется некординально и линейно.
Удельную теплоемкость льда вычисляют по формуле Б. П. Вейнберга:
c = 2,12 (1 + 0,0037t).
Беря во внимание, что при t=0°С плотность льда ? = 917 кг/м3, а удельная теплоемкость его c = 2,12 кДж/(кг·°С), получаем коэффициент температуропроводности льда при обычных критериях a = ?/(c?)=2,24/(2,12·917) = 4,1·10-3 м2/ч. С снижением температуры коэффициент a значительно увеличивается, потому что при всем этом не только лишь возрастает ?, да и миниатюризируется c:
a = 4,1(1 – 0,0063t) 10-3
Удельная теплота плавления (кристаллизации) морского льда в сильной степени находится в зависимости от его солености.
МОДУЛЬ УПРУГОСТИ ЛЬДА E при сжатии, растяжении и извиве находится в зависимости от температуры и структуры льда и меняется в очень широких границах: от 0,12·1010 до 1·1010 Па. При сжатии его принимают в среднем равным 0,9·1010Па. Модуль упругости линейно миниатюризируется с увеличением температуры.
МОДУЛЬ СДВИГА ЛЬДА G, так же как и модуль упругости E, находится в зависимости от температуры и структуры льда, но меняется он не в настолько большенном спектре. В среднем его можно принять равным 3·109 Па.
Значения предела прочности льда, так называемое временное сопротивление льда, в разных критериях его напряженного состояния и при температуре, близкой к 0°С, приведены в таблице. С снижением температуры крепкость льда возрастает, а с увеличением солености применяемой воды — миниатюризируется.
Таблица 2
Значения предела прочности льда, Па
Нрав деформации
Ориентировка усилия
Обозначение
Реки Севера и Сибири
Реки европейской части Рф
Сжатие
Перпендикулярно
Rсж
(45…65) 104
(25…40) 104
Местное смятие
Перпендикулярно
Rсм
(110…150) 104
(55…80) 104
Растяжение
Параллельно
Rр
(70…90) 104
(30…40) 104
Срез
Параллельно
Rср
(40…60) 104
(20…30) 104
Извив
Параллельно
Rиз
(45…65) 104
(25…40) 104
Таким макаром, в качестве советы по физико-химическим характеристикам можно только дать совет использовать для заливки катка обессоленную либо дистилированную воду либо же использовать более действенные охладительные системы, какие, к примеру, употребляются у нас в Москве для сотворения летом катка на Красноватой площади.
Относительно же технологии сотворения самого ледового массива, выделяются несколько главных шагов его сотворения:
1. Определение критериев, обеспечивающих получение льда с определённым комплексом физико-механических параметров для определенного вида спорта.
2. Разработка физической модели ледового покрова для определенного вида спорта.
3. Разработка прецизионных способов воздействия на верхний обновляемый поверхностный слой льда.
4. Разработка способов структурирования ледового массива с данными физико-механическими качествами. Это, сначала:
определение требований к составу воды, степени её чистки, отсутствия примесей, содействующих снижению температуры замерзания;
обоснование методов нанесения и хорошей толщины каждого разливаемого слоя льда;
установление последовательность конфигурации температуры каждого наносимого слоя;
определение хим состава каждого слоя;
учёт характеристик воздушной среды.
Все эти причины составляют технологическую схему заливки ледового массива для определенного вида спорта: максимально жёсткого для конькобежцев, более мягенького, режелирующего и упругого для фигуристов, крепкого и трещиностойкого для хоккеистов и т.д. В технологическую схему входят и технические операции по нивелированию развития магистральных трещинок и разломов потому что микротрещины безизбежно появляются в силу разности объёмных коэффициентов расширения.
С почтением,
К.х.н. О.В. Мосин