Лёд

Количество теплоты

В такой науке, как физика, часто используется понятие количества теплоты. Данная величина показывает количество энергии, необходимой для нагревания, плавления, кристаллизации, кипения, испарения или конденсации различных веществ. Причем каждый из перечисленных процессов имеет свои особенности. Поговорим о том, какое количество теплоты для нагревания льда требуется в обычных условиях.

Чтобы нагреть лед, нужно сначала его растопить. Для этого необходимо количество теплоты, нужное для плавления твердого вещества. Теплота равняется произведению массы льда на удельную теплоту его плавления (330-345 тысяч Джоулей/кг) и выражается в Джоулях. Допустим, что нам дано 2 кг твердого льда. Таким образом, чтобы его растопить, нам понадобится: 2 кг * 340 кДж/кг = 680 кДж.

После этого нам необходимо нагреть образовавшуюся воду. Количество теплоты для данного процесса рассчитать будет немного сложнее. Для этого нужно знать начальную и конечную температуру нагреваемой воды.

Итак, допустим, что нам требуется нагреть получившуюся в результате плавления льда воду на 50 °C. То есть разница начальной и конечной температуры = 50 °C (начальная температура воды – 0 °C). Тогда следует умножить разность температур на массу воды и на ее удельную теплоемкость, которая равняется 4 200 Дж*кг/°C. То есть количество теплоты, необходимое для нагревания воды, = 2 кг * 50 °C * 4 200 Дж*кг/°C = 420 кДж.

Тогда получаем, что для плавления льда и последующего нагревания получившейся воды нам потребуется: 680 000 Дж + 420 000 Дж = 1 100 000 Джоулей, или 1,1 Мегаджоуль.

Зная, при какой температуре тает лед, можно решить множество непростых задач по физике или химии.

Меры предосторожности в ходьбе по льду

Под покровом снега лед нарастает очень медленно

Этот фактор необходимо учесть, передвигаясь по льду, покрытому снегом, и соблюдать осторожность. Самым большим недостатком зимней рыбалки служат различные неприятности и опасности, которые могут подстерегать рыболова на ледоставе

Ниже представлены некоторые меры предосторожности на ледоставе:

Начинать зимнюю ловлю можно только после того, как ледовый покров станет толщиной в 5-6 см, и с учетом, что погода будет сухой и морозной. При сырой или теплой погоде такая толщина ледовой корки может стать очень непрочной

Во время выхода на первый лед необходимо соблюдать максимальную осторожность, в особенности при ходьбе по большим и глубоким водоемам или рекам даже со слабым течением.

Ходить на рыбалку по первому льду рекомендуется вместе с другими рыбаками. Не будет лишним взять с собой около 12-15 м прочной веревки, на концы которой следует прикрепить какой-либо груз, весом в 400-500 грамм

В случае необходимости груз такой массы можно будет легко перекинуть человеку, провалившемуся под лед, на всю длину веревки.

1. У замерзшей воды имеется разная прозрачность. Так, например, прозрачный и гладкий лед (который на глубоких местах может казаться черным) гораздо прочнее беловатого, непрозрачного льда, который образован при замерзании пресной жидкости, смешанной со снегом. Черное ледовое покрытие опасно только в тех участках, где в него включены большие и многочисленные воздушные пузыри. Таким образом, безопаснее всего ходить по прозрачной и гладкой ледовой поверхности.

 Загрузка …

Влияние температуры воды на рыбу

Одним из важнейших факторов, влияющих на активность и клев рыбы, является температура воды зимой. Объясняется это тесной взаимосвязью биологических процессов, протекающих в подводных обитателях, с температурой среды обитания. Активность большинства рыб, обитающих в пресных водоемах, практически сводится к нулю, если температура акватория становится ниже отметки +4°С, поскольку ее показатель от +3°С и ниже является почти смертельным для подавляющего множества рыб. Происходит это из-за сильного торможения физиологических процессов, протекающих в организме рыб.

Поэтому, когда температура в водоеме понижается, рыба уходит глубоко ко дну, где теплее, чтобы погреться. Там же организм подводных обитателей адаптируется к понижению температуры окружающей их среды. После ледостава, когда замерзшим толстым слоем покрывается водоем, а температура воды под ним снова поднимается до +4°С, активность рыбы стремительно возрастает, и подводный житель начинает кормиться. Этот момент называется «перволедок».

Подкрепившись на мелких и холодных местах озер и рек, рыбы снова уходят на глубину погреться и усвоить пищу. Так, с периодичностью проходит весь подледный период. Активность и протяженность его зависит от содержания кислорода в воде. При постепенном наступлении весны на водоемах начинают появляться места, не покрытые ледовой коркой, однако жители акватории все же ищут участки, которые еще защищены ледовой поверхностью. Несмотря на то, что открытая вода насыщена кислородом, уровень тепла в ней настолько низкий, что является смертельным для водных обитателей. Вода же, скрытая подо льдом, имеет более приемлемую степень теплоты.

Когда наледь сходит, температура в реках и озерах вновь понижается от +4°С. В это время рыба уходит ближе ко дну, чтобы пережить этот период. Уже весенняя вода начинает постепенно прогреваться и отметка поднимается выше +4°С, как раз в этот период клев рыбы постепенно активизируется.

Какая рыба ловится подо льдом

Выходя в зимний период на рыбалку, многие рыболовы задаются вопросом, какую же рыбу им удастся словить, и какая вообще будет клевать. Ниже представлен список подводных обитателей, которые ловятся зимой в ледостав:

• ротан;
• окунь;
• щука;

судак;
берш;
налим.

Примечания

1. Разброс экспериментальных данных связан, по видимому, с фазовым переходом графит-карбин и различной скоростью нагрева при измерениях.
2. Мейер К. Физико-химическая кристаллография, М., «Металлография», 1972
3. Lindemann F. A. // Phys.Z., 1910, v.11, p.609
4. Пайнс Д. Элементарные возбуждения в твёрдых телах. М., Мир, 1965.
5. Андреев В. Д. Крэш (crash)-конформационная кинематика ковалентной решетки алмаза при плавлении. // Журнал структурной химии. — 2001. — № 3. — С. 486—495.
6. Андреев В. Д. «Фактор плавления» при межатомных взаимодействиях в алмазной решетке. // Химическая физика. — 2002. — № 8,т.21. — С. 35—40.

Почему повышается уровень моря?

За этим явлением ученые со всего мира тщательно следят с середины 19-го века. Например, за 20-й век уровень воды поднялся на 17 см, а это весьма значительный показатель. С каждым годом он увеличивается примерно на 3 мм. Основная причина – глобальное потепление. Есть и другие факторы, но они менее значимые.

Стабильное повышение средней температуры приводит к термическому расширению воды и всемирному таянию льдов. В первом случае уже имеющаяся вода увеличивается в объеме. Во втором – океан пополняется новой водой из ледников.

Айсберг

Повышение уровня моря несет в себе массу негативных последствий. Первым делом пострадают островные государства – их просто затопит. Если богатые страны могут позволить себе организацию защиты береговой линии, то бедные государства – нет. Причем защита обойдется гораздо дешевле, чем борьба с последствиями уже случившейся катастрофы.

Интересный факт: айсберги встречаются всевозможных размеров и форм. В прошлом они были частью огромного ледника, плавучего или частично соприкасающегося с дном. Над водой виднеется лишь 10% от всего объема айсберга. В настоящее время обсуждается вопрос их транспортировки в районы, страдающие от засухи, поскольку айсберг является крупным запасом пресной воды.

Стоит отметить, что айсберги дрейфуют достаточно активно. Для ледяных глыб не проблема преодолеть расстояние в несколько тысяч километров. Например, айсберг из Антарктиды доплыл до Рио-де-Жанейро, проделав путь в 5000 км. А арктические айсберги нередко доплывают до Бермудских островов, проплыв 4000 км. Также впечатляют габариты льдин. Один из крупнейших айсбергов в мире – B15, площадью 11000 км² и весом – больше 3 миллионов тонн.

Но основной вопрос остается открытым: почему в данном случае уровень воды растет, а в стакане со льдом – нет? Чтобы разобраться в этом явлении, необходимо обратиться к закону Архимеда.

Немного интересных фактов

• Практически 99% процентов пресной воды хранятся в ледниках и грунтовых водах.
• Суммарные объемы льда на Земле составляют ориентировочно 30 000 000 км3.
• Ледники не статичные образования. Например, в Гималаях скорость движения некоторых ледников достигает 2/3 метров в сутки.
• Толщина ледников в полярных шапках достигает 4 км.
• Айсберг – это плавающая глыба льда, отколовшаяся от ледника. На поверхности находится лишь 10% процентов его объема.
• Если вдруг случится, что все ледники растают, то уровень мирового океана поднялся бы на 64 метра.
• В полярных и приполярных районах лед часто используют как строительный материал, в том числе, и для строительства жилищ.
• Лед присутствует и в космосе.

Предсказание температуры плавления (критерий Линдемана)

Попытка предсказать точку плавления кристаллических материалов была предпринята в 1910 году Фредериком Линдеманом (англ.). Идея заключалась в наблюдении того, что средняя амплитуда тепловых колебаний увеличивается с увеличением температуры. Плавление начинается тогда, когда амплитуда колебаний становится достаточно большой для того, чтобы соседние атомы начали частично занимать одно и то же пространство.

Критерий Линдемана утверждает, что плавление ожидается, когда среднеквадратическое значение амплитуды колебаний превышает пороговую величину.

Температура плавления кристаллов достаточно хорошо описывается формулой Линдемана:

Tλ=xm29ℏ2MkBθrs2{\displaystyle T_{\lambda }={\frac {x_{m}^{2}}{9\hbar ^{2}}}Mk_{B}\theta r_{s}^{2}}

где rs{\displaystyle r_{s}} — средний радиус элементарной ячейки, θ{\displaystyle \theta } — температура Дебая, а параметр xm{\displaystyle x_{m}} для большинства материалов меняется в интервале 0,15-0,3.

Температура плавления – Расчет

Формула Линдемана выполняла функцию теоретического обоснования плавления в течение почти ста лет, но развития не имела из-за низкой точности.

В 1999г. И.В. Гаврилиным было получено новое выражение для расчёта температуры плавления:

Т_пл = DH_пл / 1,5 N k,                                    (1)

где Т_пл – температура плавления; DH_пл – скрытая теплота плавления; N – скрытая теплота плавления; k – константа Больцмана.   

Впервые получено исключительно компактное выражение (1) для расчёта температуры плавления металлов, связывающее эту температуру с известными физическими константами: скрытой теплотой плавления, числом Авогадро и константой Больцмана.

Точность расчетов по (1) можно оценить по данным таблицы.

Таблица.                                                          

Температура плавления некоторых металлов. Расчет по (1)

По этим данным, точность расчетов Т_пл меняется от 2 до 30%, что в расчетах такого рода вполне приемлемо.             

Формула (1) выведена как одно из следствий новой теории плавления и кристаллизации, опубликованной в 2000г..

— Гаврилин И.В. Плавление и кристаллизация металлов и сплавов. Изд. ВлГУ. Владимир. 2000. 256 с.                                  

Классификация

По происхождению бывают следующими:

• морские;
• пресноводные (они же речные);
• материковые (они же глетчерные).

Процесс образования достаточно прост: морские — в море,
речные — в реках, могут выносить потоком в открытое морское пространство.
Материковые — плавающие ледники, их обломки и, в особенности, айсберги.

Следующий признак — возраст, здесь виды льда различаются
так:

• молодой лёд (иглы, сало, снежура и многое другое);
• поверхностный — кристаллический лёд;
• нилас — эластичная ледяная корка на поверхности морской воды;
• серый (15 см толщины) — вода с примесями, такой вид не является полностью очищенным;
• белый (более 30 см) — процесс очищения полностью произошел;
• 1-летний, 2-летний — не тающий в течение этого периода;
• многолетний (либо паковый — арктический, промерзает не менее, чем на 3 метра);
• вечный лёд — не тающий совсем, такие ледники залегают глубоко под землей.

Различаются они по тому, как двигаются. Есть неподвижные —
вроде ледяного покрова Арктики и Антарктики. Это сплошной покров, закрепленный
на суше, либо примерзший к чему-то и не тающий. Он буквально припаивается,
постепенно разрастаясь — отсюда ещё одно название «припай». Также есть стамух
(фактически айсберг, севший на мель) и береговой вал.

Следующий вид — плавучий, дрейфующий тип льдов. Он постоянно
движется по воде, передвигаясь под внешним влиянием — ветром и течениями. Такая
форма преобладает, они дополнительно классифицируются по размерам: на ледяные
поля разного размера, мелкобитный лёд.

Материковые появляются в результате сколов массивных частей
припая. Край называется ледниковым барьером, а съехавший и плавающий — языком.
К ним же относятся айсберги (толщина льда достигает десятков метров), острова
льда (свыше 30км в диаметре).

Теплота сгорания .

Теплота сгорания (или теплотворная способность, калорийность) — это количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании топлива.

Для нагревания тел часто используют энергию, выделяющуюся при сгорании топлива. Обыч­ное топливо (уголь, нефть, бензин) содержит углерод. При горении атомы углерода соединяются с атомами кислорода, содержащегося в воздухе, в результате чего образуются молекулы углекислого газа. Кинетическая энергия этих молекул оказывается большей, чем у исходных частиц. Увеличение кинетической энергии молекул в процессе горения называют выделением энергии. Энергия, выделяющаяся при полном сгорании топлива, и есть теплота сгорания этого топлива.

Теплота сгорания топлива зависит от вида топлива и его массы. Чем больше масса топлива, тем больше количество теплоты, выделяющейся при его полном сгорании.

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг, называется удельной теплотой сгорания топлива. Удельную теплоту сгорания обозначают буквой q и измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг).

Количество теплоты Q, выделяющееся при сгорании m кг топлива, определяют по формуле:

Q = qm.

Чтобы найти количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании топлива произвольной массы, нужно удельную теплоту сгорания этого топлива умножить на его массу.

Температуры плавления некоторых веществ[2]

Вода на Земле

Нельзя сказать, что водяной пар и лед редко встречаются в повседневной жизни. Однако наиболее распространенным является именно жидкое состояние – обычная вода. Специалисты выяснили, что на нашей планете находится более 1 млрд кубических километров воды. Однако не более 3 млн км3 воды принадлежат пресным водоемам. Достаточно большое количество пресной воды «покоится» в ледниках (около 30 млн кубических километров). Однако растопить лед таких огромных глыб далеко не просто. Остальная же вода соленая, принадлежащая морям Мирового океана.

Вода окружает современного человека повсюду, во время большинства ежедневных процедур. Многие считают, что запасы воды неиссякаемы, и человечество сможет всегда использовать ресурсы гидросферы Земли. Однако это далеко не так. Водные ресурсы нашей планеты постепенно истощаются, и уже через несколько сотен лет пресной воды на Земле может не остаться вовсе. Поэтому абсолютно каждому человеку нужно бережно относиться к пресной воде и экономить ее. Ведь даже в наше время существуют государства, в которых запасы воды катастрофически малы.

Фазы льда

Достоверно неизвестно точное количество фаз льда. На сегодняшний день выявлено всего 14 основных разновидностей, некоторые из которых являются внеземными.

1. Аморфный лёд — не имеет кристаллической структуры, но существует три дополнительные формы по плотности: LDA— низкая, HDA — средняя (формируется под атмосферным давлением) и VHDA — очень высокая.
2. Лёд 1h — обычный лёд, существующий на поверхности планеты.
3. Лёд 1c — кубический лёд (похож по структуре на алмаз). Температура возникновения от -133°C до -123°C. При нагреве переходит в предыдущую стадию.
4. Лёд 2 — тригональный (температура сжатия -83 °C до -63 °C). При нагреве переходит в следующую стадию.
5. Лёд 3 — тетрагональный (образуется при −23 °C и давлении 300 МПа). Плотность выше, чем у воды.
6. Лёд 4 — метастабильный тригональный вид.
7. Лёд 5 — моноклинный (образуется охлаждении воды до -20 °C и давлении 500 МПа), сложная структура.
8. Лёд 6 — тетрагональный (возникает при охлаждении -3 °C и давлении 1,1 ГПа).
9. Лёд 7 — кубический (образуется с нарушением атомов водорода).
10. Лёд 8 — появляется при охлаждении предыдущего типа, атомы фиксируются.
11. Лёд 9 — тетрагональный метастабильный вид (из льда 3 при охлаждении -65°C до -108°C). Высокая плотность, но ниже, чем у воды.
12. Лёд 10 — симметричный вид под давлением до 70 ГПа.
13. Лёд 11 — ромбический тип.
14. Лёд 12 — тетрагональный метастабильный лёд с плотной решеткой (нагрев аморфного льда при -196°C до -90°C, но потребуется давление в 810 МПа).

Кроме того, ведутся исследования в других фазах. Основное
отличие заключается именно в химической структуре и условиях для образования
льдов.

Формы льда

Лед относится к распространенным в природе веществам. На Земле есть следующие его разновидности:

• речной;
• озерный;
• морской;
• фирновый;
• глетчерный;
• грунтовый.

Есть лед, напрямую образующийся сублимационным путем, т.е. от парообразного состояния. Такой вид принимает скелетовидную форму (мы их называем снежинки) и агрегатов дендритного и скелетного роста (изморозь, иней).

Одной из самых распространенных форм являются сталактиты, т. е. сосульки. Они растут по всему миру: на поверхности Земли, в пещерах. Этот вид льда образуется путем стекания капель воды при разнице температур около нуля градусов в осенне-весенний период.

Образования в виде ледяных полос, появляющихся по краям водоемов, на границе воды и воздуха, а также по краю луж, называются ледяными заберегами.

Лед может образовываться в пористых грунтах в виде волокнистых прожилок.