Почему океан нельзя заморозить, дуя на него?

Когда вы дуете на горячий суп, он остывает в основном за счет испарения. По сути, молекулы воды с наибольшей энергией имеют наилучшие шансы покинуть жидкость, и они унесут с собой «количество энергии больше среднего». Это термодинамический эквивалент высказывания «когда самый умный парень выходит из комнаты, средний IQ остальных падает».

Обычно между горячей жидкостью и паром над ней существует равновесие: при определенной концентрации пара в воздухе скорость, с которой молекулы воды возвращаются в жидкость, равна скорости, с которой они уходят. В этот момент нет дальнейшего охлаждения. Обдув поверхности «сдувает» пар и нарушает равновесие: это означает, что может испариться больше жидкости.

К сожалению, по мере того, как температура жидкости (и воздуха над ней) падает, давление насыщенного пара также падает. Данные сведены в таблицу по этой ссылке от -80 C до 373 C. Пара значений, представляющих интерес:

T/°C  P/Pa
-20   103
  0   611
+20  2339
+40  7385
+60 19946

Как видите, давление насыщенного пара горячих жидкостей ЗНАЧИТЕЛЬНО выше: поэтому испарение является эффективным механизмом охлаждения. Для более холодной воды/льда это гораздо меньше. Так что просто продувка воздухом, чтобы снизить относительную влажность над водой, не сработает.

Это оставляет нам второй, менее эффективный механизм: обдув холодным воздухом. Теперь, согласно мультфильму, воздух, выходящий изо рта Супермена, не жидкий: это ставит нижний предел температуры его дыхания. Кислород имеет более высокую температуру кипения (90 К), чем азот (77 К), поэтому мы предполагаем, что температура дыхания не ниже 90 К. Теперь вопрос: можно ли продувать такой холодный воздух над водой достаточно быстро, чтобы нагреть ее? будет течь от воды к воздуху (поэтому вода замерзает) быстрее, чем тепло будет течь от остальной части моря обратно к вновь образовавшемуся льду?

Если вы дуете воздухом по поверхности, скорость, с которой может быть извлечено тепло, зависит от скорости потока, текстуры поверхности и разницы температур. Чем холоднее поверхность льда, тем меньше тепла вы можете передать воздуху, и тем больше тепла будет передаваться по льду от моря внизу.

Согласно инженерному инструментарию, теплопроводность льда немного зависит от температуры; для наших целей мы выберем значение 2,5 Вт/мК.

Далее нам нужно выяснить, насколько хорошо мы можем отводить тепло, обдувая холодным воздухом: по расчетам инженеров края значение 250 Вт/м.$^2$K будет на верхнем уровне, так что давайте использовать это.

И последнее, что нам нужно, это тот факт, что скрытая теплота плавления льда составляет около 334 Дж/г. Если предположить (для простоты), что плотность морской воды равна 1000 кг/м$^3$и что нам нужен «мост» толщиной 10 см (если вы едете на своем грузовике быстро, вам это может сойти с рук... хотя на рисунке показан гораздо более толстый мост), тогда мы можем рассчитать тепло на единицу площади, которое нам нужно удалить (я игнорирую изменение плотности морской воды на лед... утверждая, что 10 см воды должны превратиться в лед)

Необходимое количество тепла на единицу площади равно$\rho \cdot t \cdot c_f$= 1000*0,1*334 000$\approx$33 МДж. Мы можем удалить$\rm{250 ~W/m^2K}$, значит при разнице температур (273-91=)182К мы можем снять около 45кВт. Это означает, что нам нужно будет оставаться на одном и том же месте около 12 минут (33 МДж/45 кВт). И это без учета того факта, что по мере того, как лед начнет формироваться, будет труднее заставить воду под ним отдать скрытую теплоту плавления, так как она должна проводить сквозь лед (который является НАМНОГО худшим проводником). ; поверхность льда должна стать холоднее, чтобы создать температурный градиент по льду, и тогда вы станете менее эффективно отдавать тепло холодному воздуху над головой...).

Так что да, нам нужен мир мультяшной физики, чтобы все заработало. Зато интересно разобраться.

Есть ли другие проблемы с этим объяснением и иллюстрацией, которые можно использовать для объяснения основ термодинамики?

Давайте просто примем, что абсолютно невозможно заморозить весь океан до самого дна, и сосредоточимся на том, что достижимо (природой, а не человеком), используя вместо этого озеро, замерзающее сверху вниз, в качестве модели. .

Градусо-дни замерзания (FDD) являются основой для простой формулы, используемой для прогнозирования роста льда на озере, и они учитывают температуру воздуха, скорость ветра и радиационное охлаждение.  

Пожалуйста, извините за использование шкалы Фаренгейта, с ней математика проще.

Пример того, как рассчитать градусо-дни замерзания и как будет образовываться припай на озере:

1. Измерьте температуру за предыдущие 24 часа.

2. Предположим, что самая высокая дневная температура составляет 35 F, а минимальная ночная — 15 F. 

3. Это дает среднюю температуру 25 F. 

4. Вычтем среднюю температуру (25 F) из точки замерзания воды (32 F) и получим 7 градусо-дней с замерзанием.  

Как только на поверхности озера появляется тонкий слой льда, его глубина обычно увеличивается со скоростью один дюйм за 15 градусо-дней.

Подход FDD основан на ясном небе, отсутствии снега на земле и слабой или умеренной скорости ветра. Все эти факторы помогают отводить тепло от воды и ускоряют рост льда.

Толстый лед действует как глубокий снег, обеспечивая изоляцию и, таким образом, значительно уменьшая образование льда. Именно по этой причине в высоких широтах Арктики и Антарктики, где зима длится почти круглый год, озера не промерзают до самого дна.  

Я не вижу ничего невозможного в том, чтобы заморозить поверхностный слой воды, достаточный для того, чтобы по нему проехал грузовик. Да, это маловероятно, и попытка воссоздать эффект может быть «проблемной», но это не противоречит никаким законам физики.

Из мультфильма видно, что водитель грузовика не утверждает, что Супермен может заморозить весь океан , вплоть до дна океана, — только узкую дамбу, бесконечно протянувшуюся по поверхности океана. (Когда мы говорим «Озеро замерзло», мы имеем в виду не полностью, а только поверхность.) Глубина дамбы над водой (около 1,5 м) вводит в заблуждение. Это гораздо больше, чем требуется для предотвращения намокания шин грузовика. Нескольких см будет достаточно. 9/10 дамбы находится под водой.

Если вы собираетесь критиковать карикатуру, почему бы не начать с критики человека, летящего без каких-либо видимых средств подъема или движения? Или вдохнуть безграничный запас ледяного холодного воздуха, не заморозив своих коллег по работе в The Daily Planet? Или его рождение на неизвестной планете за много световых лет от нас? Или почему он ничем не отличается от человека, несмотря на совсем другое происхождение? Вся идея и история «Супермена» «проблемны». История не претендует на научность — это вымысел, фантастика, развлечение.