Насколько велика сила расширения льда при замерзании?

Но что бы мы получили? Сжатый лед? Можно ли это сделать? Можно ли сжимать лед?

Абсолютно; все пассивные материалы могут быть сжаты. Объемный модуль , свойство материала с единицами давления, связывает приложенное давление с относительным уменьшением объема. Модуль объемного сжатия льда при 0°C составляет около 8 ГПа, что означает, что для изменения объема на -0,1% требуется давление около 8 МПа или 80 бар.

Что происходит, когда вода должна расширяться, но ей некуда расширяться, а емкость слишком прочна, чтобы деформироваться?

Здесь полезна фазовая диаграмма для воды. Обсуждение в книге Пауэлл-Палм и др. «Замерзание воды при постоянном объеме и в условиях ограниченного пространства» включает фазовую диаграмму объем-температура:

Исходя из этого, мы можем предсказать реакцию равновесия при нагревании или охлаждении воды при постоянном объеме (путем вертикального перемещения) или при сжатии или расширении воды при постоянной температуре (путем горизонтального перемещения). Мы обнаружили, что при постоянном объеме (движении вертикально вниз от 0°C и 1 г/куб.см) требуется более 200 МПа и переохлаждение 20°C*, чтобы получить хотя бы 50%-ную шугу из воды и льда.

Давайте немного уменьшим масштаб. Из работы Пауэлла-Палма «На фазовой диаграмме температура-объем для воды и трехфазных инвариантных реакций в чистых веществах» мы находим, что в конечном счете требуется 209,9 МПа * для полного затвердевания в двухфазную область (в равновесии) ice-Ih (обычный лёд) и ice-III :

(Обратите внимание, что «0,00611 МПа» следует читать как «0,000611 МПа» — авторы пропустили ноль.)

Мы можем интерпретировать это как компактную структуру льда-III, обеспечивающую решение проблемы аномально объемного льда-Ih. Из фазовой диаграммы температура-давление воды мы находим, что этот лед-III зарождается (в равновесии) при охлаждении до 251 К, или -22°С:

При дальнейшем охлаждении смесь лед-I-лед-III превращается* в лед-I- лед-II , затем в лед-IX -лед-II, а затем в лед-XI -лед-IX. (Как это можно определить, если на диаграмме объем-температура нет такой информации? Это по горизонтальной линии на диаграмме температура-давление и знание того, что лед-I и лед-XI имеют удельные объемы >1 г/куб.см и что лед-II, лед-III и лед-IX имеют удельный объем <1 г/куб.см, таким образом, для поддержания постоянной плотности 1 куб.см/г требуется комбинация более высокой и меньшей плотности, и мы не можем переместиться ни на йоту выше или ниже этой двухфазной линии при охлаждении при постоянном объеме.)

Обратите внимание, что мощность не может быть выработана при условии постоянного объема, так как не происходит смещения. И хотя нет никакого термодинамического запрета на то, чтобы позволить системе расширяться и выполнять полезную работу, вам придется снова нагреть ее, чтобы разжижить, чтобы повторить процесс, и это израсходует энергию, которую вы получили.

* Обратите внимание, что этот ответ всегда относится к предсказаниям равновесной фазы. Достаточно быстрое охлаждение связано с кинетическими ограничениями, которые задерживают или даже практически исключают фазовые переходы. Например, жидкая вода может быть охлаждена достаточно быстро, чтобы кристаллы практически никогда не образовывались, даже если термодинамическая движущая сила велика. Здесь говорят, что твердая вода находится в стеклообразном или аморфном состоянии .

(См. также забавную вращающуюся трехмерную фазовую диаграмму воды здесь .)

Краткое содержание:

Согласно ответу Chemomechanics , до -22C:

Он будет охлаждаться как вода при комнатном давлении, температуре и объеме (и, следовательно, комнатной плотности) до 0°С. Затем, когда он охлаждается, он переходит от 0°C воды к 0°C ледяной воды при давлении около 10 атмосфер. Затем он остынет до -22°С как смесь воды и льда, и потребуется более 2000 атмосфер давления, чтобы сохранить тот же объем/плотность. При -22С он окончательно становится льдом.

Ниже ответа Chemomechanics до 0K:

Затем он остынет, как комбинация обычного льда и льда-III (тетрагональный кристаллический лед) (где-то по половине каждого) до -38°C, довольно неожиданно оставаясь примерно при том же давлении (поскольку он охлаждает ненамного больше давления выше 2000 атмосфер). необходимо поддерживать постоянный объем). Затем он становится комбинацией обычного льда и льда-II (ромбоэдрическая кристаллическая форма льда с высокоупорядоченной структурой, тоже где-то пополам каждого), еще примерно при том же давлении. Наконец, при температуре ниже ~165 К комбинация представляет собой обычный лед и лед-IX, и он охлаждается до 0 К, что удивительно, снова примерно при том же давлении (~ 2000 атмосфер).

Итак: от 0°C воды до 0°C комбинации лед/вода при той же плотности давление падает с 1 атмосферы до более чем 10. Затем от 0°C до -22°C давление увеличивается до 2000 атмосфер, и в этой точке, наконец, все становится льдом. Тогда давление не сильно возрастает вплоть до абсолютного нуля.

Как я определил это и более подробно

Большой металлический шар все же может локально деформироваться, даже если его радиус бесконечен. Он не лопнет, но изменит форму, потому что сила велика.

Тем не менее, мы можем представить, что охлаждающая вода поддерживает постоянный объем. Если у вас есть постоянная масса H2O и постоянный объем, то у вас есть постоянная плотность. И постоянный «удельный объем», который равен 1/плотность.

Охлаждение до -22С:

Я сошлюсь на длинный ответ эксперта Chemomechanics выше с фотографиями и объясню его для непрофессионала, насколько это возможно (оно достигает -22C, 210 МПа, что является первой точкой 100% льда, а затем останавливается). Потом отвечу на остальные.

Посмотрите на его ответ и найдите этот текст и картинку над ним: «Исходя из этого, мы можем предсказать реакцию равновесия при охлаждении воды при постоянном объеме. Мы обнаружили, что при постоянном объеме (движении вертикально вниз от 0°C и 1 г/куб. см) прогнозируется, что потребуется переохлаждение более 200 МПа и 20°C даже для получения около 50% шуги из воды и льда».

Он говорит, что если у нас есть 1 г воды и поддерживать объем постоянным на уровне 1 куб.см, то у нас есть плотность, если 1 г/куб.см и удельный объем 1 куб.см/г (или любое количество воды, удерживаемое при такой плотности) , а это плотность воды при комнатной температуре и давлении. Вот почему именно этот конкретный том и есть наша проблема. Температура и давление могут измениться, но не удельный объем. Цифра говорит кг/куб.см, а затем добавляет «умножить на 10^(-3)»; было бы проще просто сказать g/cc.

Итак, если мы начнем с комнатной температуры и давления 30°C, это будет вода с концентрацией 1 см3/г. Эта точка будет выше того, что покрывает изображение. И по мере того, как мы охлаждаемся и идем прямо вниз, выше того, что покрывает изображение, плотность остается постоянной на уровне 1, как и давление, пока мы не достигнем 0°C, и эта точка находится на изображении вверху. Здесь встречаются вода и лед и начинается замерзание. Координаты точки (1, 0C).

Теперь у нас есть два пути, которые можно представить из этой точки (1 см3/г, 0C):

1. Держите давление, а не объем, постоянным и охладите его. Это нормальный случай. Это будет движение горизонтально вправо. Плотность уменьшается (расширяется) и проходит через лед-воду и становится льдом при 0°С и ~1,08 см3/г. Температура не снижается даже при охлаждении, пока все не станет льдом. Затем дальнейшее охлаждение при комнатном давлении приведет к снижению температуры льда.

2. Наша проблема: удерживать удельный объем постоянным на уровне 1 и охладить его. Это значит идти прямо вниз. А для снижения температуры даже всего на 20С требуется давление 200 МПа! и это был бы еще даже не лед – смесь. Это в 2000 раз больше атмосферного давления, чтобы поддерживать постоянную плотность (объем). И этого достаточно, чтобы навсегда деформировать любой металл, чтобы этого не произошло. Можно было бы использовать нитрид кремния, он бы вообще ничего не дал (любой реальный материал дал бы немного, но мы продолжаем делать вид, что это можно сделать).

Затем он говорит, что дальнейшее охлаждение повысит давление еще больше, до 209,9 МПа, и тогда, при -22°C (251K), все станет льдом. Затем он заканчивает свой ответ.

От -22С до 0К:

Затем, что удивительно, давление не сильно увеличивается, чтобы удерживать эту плотность. На втором рисунке мы идем прямо вниз при определенном объеме 10, что соответствует нашей ситуации в разных единицах (обратите внимание на маленькое 10 ^ (-4) в левом нижнем углу). Он проходит прямо через середину области, представляющей собой смесь обычного льда и льда-III (тетрагональный кристаллический лед), а затем через середину области обычного льда и льда-II (ромбоэдрическая кристаллическая форма льда с высокоупорядоченной структурой). состав). Теперь смотрите третий рисунок. Наконец, ниже ~165K комбо представляет собой обычный лед и лед-IX.

На третьем рисунке все это ниже -22С - это линия между теми фазами, и она горизонтальна !!! около 200 МПа вплоть до абсолютного нуля, что означает примерно постоянное давление. Откуда нам знать, что мы остаемся на этой горизонтальной линии и не попадаем в чистый лед-II или комбинацию льда-II и льда-IX? Поскольку плотности II, II, IX значительно ниже 1. Таким образом, требуется комбинация льда-IL или льда-IH с его более высокой плотностью (меньший удельный объем) и одного из других льдов, чтобы оставаться на плотности 1. Значение мы остаемся на этой горизонтальной линии на третьем рисунке.

Ниже 65K обычная часть льда превращается в лед-XI, который также имеет плотность ниже 1 и на самом деле представляет собой просто другую форму льда-IH. Плотность всех из них (очень приблизительно) находится на одном и том же расстоянии от 1 (будь то выше или ниже), поэтому фазовая смесь (примерно) составляет примерно половину каждой в каждом случае на пути вниз.

О преобразовании энергии в процессе:

Если справедлив принцип сохранения энергии, то преобразуется только энергия , в этом смысле работа, совершаемая при расширении, не может превышать разности энергий, соответствующей разнице температур.

Лучшее, что вы можете сделать, это безубыточность.

Допустим, у вас есть какой-то естественный источник разницы температур. Допустим, вы находитесь рядом с горячим источником в полярном регионе (такие горячие источники, вероятно, есть в Исландии).

Таким образом, вы можете установить теплообменники, переключаясь между охлаждением чего-либо и его повторным нагревом.

Даже если вы получите температурный цикл по существу бесплатно: он вообще не поддается сбору энергии. Сила велика, но механическое смещение очень мало.

Динамо требует много оборотов. Я не вижу практического способа превратить такое маленькое механическое смещение в большее смещение (с соответствующей меньшей силой), чтобы вы могли заставить динамо-машину вращаться с достаточной скоростью.

Возможна следующая возможность:
допустим, есть карьер с типом камня, который имеет много трещин. Может быть экономически целесообразно сделать следующее: подать тепло, чтобы порода поднялась выше точки замерзания, чтобы можно было налить воду в трещины, а затем убрать источник тепла, чтобы скала с водой в трещинах исчезла. снова ниже нуля.

Это, вероятно, более энергоэффективно, чем использование тяжелой техники.

Фактически, на рынке есть продукты, называемые «затиркой для сноса».
Вы просверливаете ряд отверстий, смешиваете раствор с нужным количеством воды и заполняете отверстия этой смесью.
Химический состав раствора таков, что он связывается с водой, а затем подвергается перекристаллизации в форму, которая занимает больший объем.

Другие ответы отлично объясняют теорию.

На Youtube есть хорошее видео « Можете ли вы остановить расширение воды, когда она замерзает в лед », показывающее практический эксперимент по удержанию замерзающего льда в стальной трубе, а затем объясняющее давление, необходимое для удержания замерзающего льда.

У меня нет репутации, чтобы комментировать, поэтому я написал это как ответ. Извините, если это было неправильно.