Formarea gheții este întotdeauna asociată cu apariția unei interfețe de fază. Lucrarea Lk consumată în acest proces este folosită în principal pentru a depăși tensiunea superficială interfacială a embrionului primar al cristalului de gheață, probabilitatea apariției acestuia fiind determinată de legile fizicii statistice.
Cristalizabilitatea apei este de obicei caracterizată de doi factori principali asociați cu supercoolizarea sa: viteza de nucleare a centrelor de cristalizare wi și rata de cristalizare liniară w> 2.
Lichidele vâscoase cu valori minime W1 și W2, chiar și la o rată de răcire relativ scăzută, pot trece, prin ocolirea cristalizării, într-o stare solidă amorfă (sticloasă). Apa cu vâscozitate scăzută, cu valori ridicate de W și w2 pentru o astfel de tranziție necesită o rată de răcire foarte ridicată (> 4000 ° C / s) pentru a "aluneca" prin zona de temperatură a co-cristalizării maxime.
Frenkel G112], chiar și în fluid liber absolut pur, în cazul poate apărea o subrăcire suficientă din cauza fluctuațiilor de embrioni cristale de dimensiuni critice care, în condiții favorabile și devin centre de cristalizare. Pentru dezvoltarea cristalizării, este necesar ca numărul de cristale care apar să fie mai mare decât cantitatea de cristale care sunt distruse. Presupunerea că apa în starea de pre-cristalizare conține o mulțime de nuclee ale fazei solide este într-o anumită măsură confirmată, de exemplu, de o creștere anormală a vitezei sonore în apă la o temperatură de aproximativ 0 ° C
Practic semințele de cristalizare a apei sunt întotdeauna nesemnificative impurități solide prezente în ea, care reduc în plus tensiunea superficială interfacială și lucrarea de cristalizare a Ak. Pentru a stimula cristalizarea în apa supraîncălzită (și vaporii de apă), microslagurile din gheață sau dintr-un material care este practic izomorf cu gheața, de exemplu, iodura de argint (Agl), sunt cele mai eficiente.
În timpul cristalizării (și topirii) gheții, diferența dintre potențialele electrice apare la limita de fază ca urmare a polarizării parțiale, iar toKa este setată la rata proporțională a transformării de fază. Cristalizarea apei, asociată, de exemplu, cu un capilar, necesită o restaurare preliminară a structurii corespunzătoare a apei, inclusiv legăturile de hidrogen perturbate de capilar.
În cazul obișnuit, cristalele de gheață intra-gheață formate în zonele cu apă suficient de răcită, cu simetrie a mediului și transferul de căldură, cresc în direcțiile axelor lor optice. În acest caz, creșterea cristalului are loc în salturi și este foarte puternică la vârfuri și marginile, adică acolo unde există mai multe legături nesaturate.
În cristalizarea apei, care necesită supraîncălzirea acesteia, temperatura fazei emergente - embrionul cristalului de gheață intra-gheață este în principiu egal cu temperatura tranziției de fază de 0 ° C. Un salt de temperatură apare în jurul nucleării cristalelor de gheață din cauza eliberării căldurii de cristalizare, supraîncălzirea locală a apei este lichidată, iar embrionii de gheață emergenți se pot topi. Prin urmare, pentru a menține procesul de formare a gheții, este necesar să se elimine continuu căldura de cristalizare. La 0 ° C, poate avea loc un echilibru dinamic al gheții și al apei.
Procesul de cristalizare a gheții de suprafață este localizat în stratul limită al apei supracoolerate. Potrivit Costa [143], apa hipotermie în timpul formării suprafeței de gheață este o funcție a vitezei liniare a apei de cristalizare la suprafața de răcire și este de la -0,02 ° la -0,11 ° C la viteze cuprinse între 2 și 30 mm / min. Temperatura suprafeței gheții umede trebuie să fie sub 0 ° C.
Când se cristalizează, apa se transformă în gheață, o fază nouă, termodinamic, mai stabilă. În parte, are loc transformarea inversă a materiei, dar predomină trecerea moleculelor în faza solidă. Restaurarea legăturilor de hidrogen și alte fenomene care apar în cazul cristalizării schimbă structura de apă lichidă în formă de cuarț într-o structură mai puțin densă de gheață.
Deoarece sub structura uzuală tridimită a gheții, fiecare moleculă a acesteia este legată de trei molecule ale stratului său structural și o moleculă a stratului vecin, atunci numărul de coordonare al moleculelor din gheață este de patru. Modificările într-o serie de proprietăți fizice ale apei în timpul răcirii și înghețării reflectă clar transformarea structurii sale.
Astfel, în cazul apei de răcire la presiune normală 0.101325 MPa cu temperatura t = 4 ° C (277.15 K) până la * = 0 ° C (273,15 K), densitatea pB cade de la 1000 până la 999.9 kg / m3, iar atunci când este transformat în gheață, acesta este în plus redus la 916,8 kg / m3 (рl-917 (1-0.00015 t). Conform calculului, raportul de masă de 1 mol de apă și gheață este de 18,02 19,66 0,916.
Când apa de cristalizare, care necesită retragerea ch căldură specifică = 334 kJ / kg, căldura specifică variază cu legarea la seq = 4,23 = 2,12 kJ / (kg K), iar conductivitatea termică de la 0,55 până la YAV = Yal53 = 2 , 22 W / (m • K). Comparativ cu apă cu gheață, la medie constanta dielectrică este mai mică de 30 de ori, iar conductivitatea de 500 ori sau mai mult.
O scădere anormală a densității apei este cauzată în principal de o scădere a compactității aranjamentului molecular mediu. Caracteristicile specifice ale apei și gheții, în special, se explică prin schimbări în cantitățile corespunzătoare de molecule cu poziție fixă temporar și molecule în mișcare, precum și influența legăturilor de hidrogen, a cavităților în structuri și polimerizarea moleculelor.
Ieșind cu cristalizare apa monocristalelor de gheata nu sunt ideale rețea cristalină datorită defectelor structurale inevitabile, in special dislocații tip (deplasare) cauzate de anormalitate ambalării moleculare și intercalarea avioane atomice.
Mișcarea termică determină ieșirea de dislocare a microparticulelor individuale la interstițiile grilelor de cristal și formarea posturilor vacante ("găuri") în structura cristalului, similar cu locurile vacante prezente în lichide, în special în apă. Se crede că defectele dislocărilor sunt unul dintre motivele pentru o mare plasticitate a gheții, pe care depinde puterea pe termen lung a frigiderelor de gheață. De obicei, gheața cristalizează într-un sistem tridimit hexagonal. Cu toate acestea, la temperaturi sub -120 ° C, gheața din vapori are o structură cubică asemănătoare diamantului. La temperaturi sub -160 ° C și viteze mari de răcire, vaporii sub vid se transformă în gheață vitroasă, practic amorfă, cu o densitate de 1300-2470 kg / m3. Cristalele singulare de apă și de gheață de suprafață apar atunci când sunt supracocelate din moleculele de apă cu o energie minimă.
Potrivit lui Altberg [2], în râu se formează gheață naturală în partea de jos a apelor datorită deversării convective a apei de suprafață super-răcite în curent și cristalizarea ulterioară a acestuia, în principal pe granule de nisip și alte obiecte solide.
În cazul formării gheții de suprafață în apă care rezultă din temperatura atmosferică este de obicei sub 0 ° C, împreună monocristaline individuale de gheață, în special în cristale aciculare orizontale care se intersectează cu creșterea și a crea zăbrele. Lacunele sunt umplute cu monocristale cu zăbrele de gheață, de asemenea, combinate în cristalite acea noapte și pas complet dogshe- de formare a unui policristalin continuu crusta de gheață, în principal, cu un aranjament aleatoriu de cristale. Cu o radiație nocturnă puternică de căldură de suprafața apei calme, tortul de gheață se poate forma chiar și la o temperatură pozitivă.
Creșterea ulterioară a cristalelor din crusta inițială de gheață este afectată de cristale vecine. Cu toate acestea, din cauza anizotropia creșterii are loc dezvoltarea preferențială a cristalelor de două tipuri: a) o axă verticală optice perpendicular pe suprafața glazură, - la apă calmă, cu gradient de relativ mari de temperatură și b) cu axe orizontale paralele cu suprafața dejivrare - apă atunci când se deplasează și isothermul său aproximativ.
Furnizarea de alimente în creștere cristale prezintă așa numitul efect de cristalizare, alungare obstacole. O cristalizare lentă și o bună circulație a apei proaspete de cele mai multe impurități și apă este gheață transparent împins format nuanță albastru verzui. Gheață este format în principal, cu o mare cristalite corespunzător orientate într-o prisma cu un diametru de câțiva milimetri și cu o cantitate relativ mică de impurități. Când cristalizarea rapidă și slabă circulă apă rece ca gheața devine culoarea albă opacă (gheață opacă) și reprezintă corpul carcasei, cu o distribuție aleatorie a agregatelor cristaline fine, cu un diametru de obicei mai mică de 1 mm, alternativ cu solide, lichide și impurități gazoase (aer). Când apa rapid cristalizare cu o cantitate mai mare de impurități sunt uneori introduse nu numai între cristalele, ci și pe planurile bazale din cadrul acestora. Intervalele între cristalite conțin întotdeauna mult mai multe impurități decât straturile intermediare între cristalele singulare. intercalații intercristalină sunt, în cazul particular al grosimii de râu gheață de aproximativ 3 microni la congelare temperatură de -2 ° C până la 0,3 microni, la o temperatură de aproximativ -20 ° C. Se observă că mărimea cristalelor de gheață din sărurile solubile în apă, cu o impuritate sunt invers proporționale cu viteza de congelare și concentrația săruri.
Dacă gheața nu este formată pe suprafața plană a apei, și în foarte mici, picăturile de apă care sunt prezente, de exemplu, în nori, unde pot exista subrăcire semnificativă de apă (până la -40 ° C și mai jos), la începutul cristalizării nu poate afară, dar în interior Cade, unde se formează apă de gheață. Picăturile mari de apă după supercoolizare încep de obicei să înghețe în afară.
Când se cristalizează apa proaspătă, frontul de gheață este aproape neted. În același timp, apa care conține aproximativ 40 g de aer la 0 ° C într-o tonă (la 20 ° C numai 30 ° C) în timpul cristalizării în timpul mișcării frontalei emite aer în exterior sau în spațiul intercristal.
Prin cristalizare a apei sărate (începe la o temperatură determinată de compoziția și concentrația de săruri), în creștere față de gheață este rugoasă, cu proiecțiile, vârfurile din care sunt situate în zone cu concentrație mai mică de săruri. Mai întâi de toate, apa, mai puțin legată de hidratarea cu ioni de săruri, cristalizează. Ulterior ionii de sare pot fi în diferite grade și săruri ale deshidratati cad din soluție în funcție de solubilitatea lor. În acest caz se pot forma hidrați cristalini corespunzători temperaturii. În apă rece ca gheața impurităților solubile în trecut, plasat în principal în celulele cristalelor, care este important, de exemplu, la fabricarea de saramură cu gheață.
Atunci când gheața se formează printre alte structuri, apare de obicei deformarea, în special în cazul înghețării solului sau a apei umede într-un orator poros. Cea mai mică deformare este asigurată prin întărirea rapidă și uniformă a apei în mediu biologic cu crioprotectori (glicerină, etc.). În acest caz, o parte a apei "vitrifiază", iar cealaltă se leagă sau formează microcristale, situate predominant în afara celulelor biologice. Un proces special este cristalizarea gheții prin sublimare din vapori (și fenomenul invers al sublimării datorită evaporării gheții).
Pentru utilizarea gheață de refrigerare este setat ca gard evaporarea gheții și sublimarea formării gheții sub formă de „strat de zăpadă“. La temperaturi suficient de scăzute, gheața sublimată este formată de fulgi de zăpadă, de exemplu, în nori înalți. Cristalizarea gheții atmosferice sub formă de zăpadă începe pe semințe, în acest caz particule de praf. Formarea și creșterea fulgilor de zăpadă cristalină, constând în gheață obișnuită sau sublimată, sunt asociate cu temperatura, presiunea și umiditatea atmosferei. Numai cristalele mari de fulgi de zăpadă care au cristalizat și ajung la o masă critică coboară la sol.
Trebuie remarcat faptul că creșterea fulgilor de zăpadă mari din cauza cristalelor și picăturilor mici este asociată cu creșterea elasticității vaporilor de apă pentru cristale mici și picături. Elasticitatea vaporilor depinde de curbura și tensiunea superficială a picăturilor de apă sau a cristalelor de gheață. Introducerea artificială a semințelor de formare a gheții în nori a fost deja practic aplicată în regiunea Niprului pentru ninsoarea culturilor de iarnă într-o iarnă fără zăpadă.
Topirea gheții. Ea precede formarea gheții sau a altor apă subrăcire și topire - proces pretopire nu este asociat cu supraîncălzire fază substanțial solidă, deoarece suprafața de gheață la presiune normală începe să se topească la o temperatură (HS (273,15 K) La topire, spre deosebire de cristalizare. forță semnificativă este depășită tensiunea superficială a apei. moleculelor pentru plasarea Indepartat gheață inerente pe modificări pentru intervalul de topire, tipice apei.
Energia internă în cazul topirii gheții crește. Bazat pe căldura specifică de topire a gheții 334 kJ / kg și sublimare termică 2840 kJ / kg, care caracterizează ruptura legăturilor moleculare poate fi gradul de atenuare a legaturile moleculare în timpul topirii luate egal cu 12%. Dintre acestea, aproximativ 9% cade pe obligațiuni de hidrogen și doar 3% pe conexiunile lui van der Waals.
În cazul topirii gheții, lungimea șederii moleculelor în poziția de echilibru se schimbă brusc. Energia de activare (bariera potențială) E scade, deoarece E de apă este mai mică decât E de gheață. Defectele existente în structura rețelei de cristal și impuritățile reduc în continuare energia de activare. Topirea gheții începe, de obicei, cu suprafața sa, pe fețele și marginile cristalelor, precum și în locurile de impurități care sunt semințele de topire. Suprafața de gheață topită este întotdeauna dură din punct de vedere microscopic.
Cel mai complicat proces de topire a gheții în structura altor structuri, de exemplu, în cazul solului acoperit cu gheață. Sarurile solubile în apă în gheață contribuie la topirea lor atât în exterior, cât și în interior.
Este necesar să se sublinieze faptul că gheața se topesc proaspete depozitate temporar anumite caracteristici fizice, care sunt mai aproape de gheață decât temperatura apei aproape de zero. gheață inerenta proprietăți moleculare transferate temporar apa decongelată decât aparent „și cauza activitatea biologică crescută. electrică în timpul topirii gheții, precum și activitatea de gheata speciala si apa svezhetaloy pot afecta, de exemplu, produse alimentare refrigerate topirea gheții. punct de vedere tehnologic, este de asemenea important , că gheața topită absoarbe multe gaze și, prin urmare, miroase.
Mai în detaliu fizica și chimia apei și gheață sunt discutate în monografii Fritsmana [113] Dorsey [138] Fletcher și [141], în special un proces de topire - în Ubbelohde [107], structura de apă și gheață -sa lucrări Shumskogo [129] Zatsepina [51], Eisenberg și Kauzman [131].
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: