Что имеет большую плотность лед или снег

Плотность льда и снега, теплопроводность, теплоемкость льда

Плотность, теплопроводность и теплоемкость льда в зависимости от температуры

В таблице приведены значения плотности, теплопроводности, удельной теплоемкости льда в зависимости от температуры в интервале от 0 до -100°С.

По данным таблицы видно, что с понижением температуры удельная теплоемкость льда уменьшается, а теплопроводность и плотность льда, напротив, растут. Например, при температуре 0°С плотность льда имеет значение 916,2 кг/м 3 , а при температуре минус 100°С его плотность становится равной 925,7 кг/м 3 .

Значение удельной теплоемкости льда при 0°С составляет 2050 Дж/(кг·град). При снижении температуры льда с -5 до -100°С его удельная теплоемкость снижается в 1,45 раза. Теплоемкость льда в два раза меньше значения этой величины у воды.

Теплопроводность льда при понижении его температуры с 0 до минус 100°С увеличивается с 2,22 до 3,48 Вт/(м·град). Лед более теплопроводен, чем вода — он может проводить в 4 раза больше тепла при одинаковых граничных условиях.

Следует отметить, что плотность льда меньше плотности воды, однако с понижением температуры плотность льда растет и при приближении к абсолютному нулю температуры плотность льда становится близка к величине плотности воды.

Таблица плотности, теплопроводности и теплоемкости льда

Температура, °С	Плотность, кг/м 3	Теплопроводность, Вт/(м·град)	Теплоемкость, Дж/(кг·град)
0.01 (Вода)	999,8	0,56	4212
0	916,2	2,22	2050
-5	917,5	2,25	2027
-10	918,9	2,30	2000
-15	919,4	2,34	1972
-20	919,4	2,39	1943
-25	919,6	2,45	1913
-30	920,0	2,50	1882
-35	920,4	2,57	1851
-40	920,8	2,63	1818
-50	921,6	2,76	1751
-60	922,4	2,90	1681
-70	923,3	3,05	1609
-80	924,1	3,19	1536
-90	924,9	3,34	1463
-100	925,7	3,48	1389

Теплофизические свойства льда и снега

В таблице представлены следующие свойства льда и снега:

• плотность льда, кг/м 3 ;
• теплопроводность льда и снега, ккал/(м·час·град) и Вт/(м·град);
• удельная массовая теплоемкость льда, ккал/(кг·град) и Дж/кг·град);
• коэффициент температуропроводности, м 2 /час и м 2 /сек.

Свойства льда и снега представлены в зависимости от температуры в интервале: для льда от 0 до -120°С; для снега от 0 до -50°С в зависимости от уплотненности (плотности). Температуропроводность льда и снега в таблице приведена с множителем 10 6 . Например, температуропроводность льда при температуре 0°С равна 1,08·10 -6 м 2 /с.

Давление насыщенного пара льда

В таблице приведены значения давления насыщенного пара льда при сублимации (переход льда в пар, миную жидкую фазу) в зависимости от температуры в интервале от 0,01 до -80°С. Из таблицы видно, что с понижением температуры льда давление его насыщенного пара снижается.

Источник

Что холоднее: снег или лед?

Уточним вопрос: что более холодное при одинаковой температуре – снег или лёд?

Если вы считаете, что поставленный вопрос некорректен, то я должен вас разочаровать. Во-первых, температура – это физическая величина, характеризующая внутреннюю энергию тела. Во-вторых, показатели температуры носят объективный характер, они не зависят от настроения и желаний субъекта, выполняющего измерения.

Холод или тепло – это субъективные ощущения, которые зависят от состояния органов чувств, температуры нашего тела и даже от настроения. В одних условиях человек ощущает легкую прохладу, а при других такая же температура вызывает ощущение холода.

Исходя из этого, вопрос, поставленный в начале статьи, уже не кажется таким абсурдным. А раз так, то постараемся на него ответить.

Свойства льда

Лед, как и снег, это одно из агрегатных состояний воды. При замерзании молекулы воды образуют кристаллическую структуру, в результате чего лед приобретает свойства твердого тела:

· сохраняет форму и объем;

· имеет достаточно высокую теплопроводность.

Как ни странно, упорядочивание молекул приводит к тому, что плотность льда меньше чем у воды. Этим, кстати, объясняется то, что при замерзании воды ее объем увеличивается. Если оставить на морозе воду в закрытом сосуде, то при образовании льда, в результате увеличения объема произойдет разрушение сосуда. Плавучесть льда также свидетельствует об уменьшении его плотности по сравнению с водой.

По сути, снег – это тот же лед, но с другой структурой. Снежинки образуются из маленьких кристалликов льда, образующих причудливые узоры. Поскольку эти кристаллики отделены друг от друга, то снег нам кажется пушистым и белым. Белизну снега создают все те же кристаллы, многократно преломляющие лучи света.

Между отдельными снежинками образуется пространство, заполненное воздухом. Поэтому снег рыхлый. Благодаря такой структуре его плотность в разы меньше чем у льда, а значит у снега меньше теплопроводность.

Почему мы ощущаем тепло и холод

Когда мы прикасаемся к какому-то предмету, между кожей и этим предметом происходит теплообмен. Если температура нашей кожи выше, то тепло переходит к предмету. Мы ощущаем холод. И наоборот, тепло от более нагретого предмета передаётся нашему телу, что дает ощущение тепла.

Чем интенсивнее теплообмен, тем ярче мы ощущаем разницу температур. В свою очередь, интенсивность теплообмена зависит от теплопроводности предмета. В частности, металлы с их высокой теплопроводностью, на морозе кажутся очень холодными, по сравнению с деревом или пенопластом.

Почему лед холоднее снега

Если мы держим в одной руке лед, а в другой – снег, то лед будет интенсивнее забирать тепло вследствие его большей теплопроводности. Мы будем ощущать больший холод в ладони с льдом.

Низкую теплопроводность снега используют на практике. Например, в лютые морозы снегом можно дополнительно утеплить кусты роз или другие растения, чувствительные к холоду. Народы севера используют снег для строительства временного жилья иглу, в котором можно согреться в период сильных морозов.

Источник

Плотность льда и снега, теплопроводность, теплоемкость льда

Удельный вес снега в зависимости от его характеристик

Даже свежевыпавший снег различается по характеристикам. Он бывает сухим или мокрым, в виде пушистых хлопьев или мелкой крупы. Сухой свежевыпавший снег, не уплотненный собственной массой, практически невесом. Со временем снежная масса уплотняется. Сугробы, образованные ветровыми переметами, тоже гораздо плотнее, чем недавно выпавший снег.

Мокрый снег гораздо тяжелее сухого. Вода вытесняет содержащийся между кристаллами льда воздух, что приводит к увеличению плотности. Причины увлажнения снега:

• снег сразу выпадает мокрым, в таком виде он быстрее уплотняется под действием силы собственной тяжести;
• дождь;
• подтаивание от внешнего тепла.

К концу зимы снежная масса настолько уплотняется от времени и оттепелей, что мелкие кристаллы льда слипаются в крупные гранулы. Такая субстанция называется фирн. Плотность мокрого фирна приближается к характеристикам льда.

Плотность снега с разными характеристиками в килограммах на м3:

1. Свежевыпавший пушистый сухой – от 30 до 60.
2. Свежевыпавший мокрый – от 60 до 150.
3. Свежевыпавший осевший – от 200 до 300.
4. Ветровой перенос – от 200 до 300.
5. Сухой осевший, выпавший более месяца назад – от 300 до 500.
6. Сухой фирн – от 500 до 600.
7. Мокрый старый фирн – от 600 до 800.
8. Очень увлажненный снег и глетчерный лед – до 960.

Среднюю плотность снега принимают за 300 кг/м3, так как в сугробе присутствует и плотный слежавшийся снег, и выпавший недавно.

Как снег влияет на кровлю ↑

Понятно, что выпавший на поверхность кровли снег имеет массу, что создает давление на всю систему. Однако создаваемая нагрузка неравномерна и постоянно изменяется.

• В течение холодного времени года снежный покров возрастает. Но главная опасность в чередовании оттепелей и заморозков, в результате которых возрастает масса даже одного слоя.

На заметку
Стоит знать, что оттаивание и замерзание снега уплотняет его, и как следствие растет масса.

• Снежный покров не является статичным, он находится в постоянном движении: сползает со скатов, сдувается ветром. Следствием этого на различных участках крыши давление распределяется неравномерно. В особенности этот фактор проявляется на кровлях с нестандартными конфигурациями (так называемые ломаные типы).
• Так как снег сползает по скату, его большая масса скопляется на свесах, что также не влияет благотворно на кровельную конструкцию.
• Снеговой покров создает воздействия не только на сам кровельный настил и стропильную систему, но и на водостоки, результатом чего часто является обрушение последних.

Чтобы устранить или снизить неблагоприятное влияние снеговой нагрузки на крыши, разработана целая концепция решения проблемы. Она включает в себя очистку поверхности на уже имеющихся накрытиях, изменение конструкций, или расчет, и закладку определенных свойств еще на этапе проекта возводящегося дома.

Расчет удельного веса

Понятие удельного веса сложнее, чем плотность. Удельный вес – это произведение плотности вещества на ускорение свободного падения. Последний показатель несколько отличается в разных частях планеты, но в большинстве расчетов применяют среднее значение 9,81 м/с2. Результат измеряют в ньютонах на кубометр или в килограмм-силе на кубометр (Н/м3, кгс/м3).

Общая формула расчета удельного веса: y=m*g/v, где y – удельный вес, m – масса, g – ускорение свободного падения, v – объем.

В быту и расчетах, где не обязательна высокая точность, вместо удельного веса достаточно применять плотность. Ее вычисляют по формуле p=m/v.

Иногда применяют относительную плотность. Она указывает на то, во сколько раз нужное вещество тяжелее воды. Относительная плотность снега меньше единицы, так как даже самый плотный снег и лед легче, чем вода.

Расчет объема свободно лежащего снега

Теперь давайте разберем более сложную ситуацию. Снег не собран в кучи, а просто лежит на территории. Притом высота покрова в разных участках может различаться.

Здесь есть три способа расчета:

1. С помощью калькулятора
2. По норме осадков
3. По замерам на территории

Они различаются трудоемкостью и степенью точности. Далее мы разберем каждый способ.

Расчет с помощью калькулятора

Это – наименее точный способ. Здесь достаточно знать длину и ширину объекта, а также примерную высоту снежного покрова.

Допустим, у нас будут такие значения:

• Длина – 20 метров
• Ширина – 10 метров
• Высота – 0,2 метра

Чтобы рассчитать объем:

1. Выберите в калькуляторе вкладку «Куб»
2. Введите значения Высоты (a), Длины (b) и Ширины (c)
3. Нажмите кнопку «Рассчитать»
4. В нижней правой части калькулятора появится результат расчета

У нас получилось 40 кубов. Учтите, что цифра эта – примерная. Она не учитывает возможные перепады по высоте. То есть, посчитано все так, будто у вас на площади 200 м2 снег лежит ровным слоем в 20 сантиметров. На практике такого не бывает. Всегда есть участки, на которых снега больше или меньше.

Расчет по норме осадков

Этот способ подойдет для прогнозирования – например, для составления сметы. Но он не дает точного понимания того, сколько снега лежит на вашей территории прямо сейчас.

На сайтах метеослужб (например, https://rp5.ru/) вы можете найти данные о количестве осадков, выпавших в вашем регионе за определенный период (например, за прошлый год). Эти данные можно использовать, чтобы понять, сколько снега выпадет предстоящей зимой.

Затем количество осадков умножается на площадь вашей территории – и вы получаете примерный объем снега, который нужно будет убрать.

К примеру, мы взяли для анализа данные по осадкам, выпавшим в прошлом феврале. Получилось 45 миллиметров. Умножаем эту сумму на площадь нашего объекта (200 м2) – и получаем объем: 90 м3.

Однако повторим: этот способ дает лишь приблизительное представление. Он не учитывает, например, то, что часть выпавшего снега растает или будет убрана вручную дворниками. Кроме того, погода непредсказуема, и в новом год у количество осадков может сильно отличаться от прошлогодних показателей.

Такой способ вы можете использовать, чтобы рассчитать примерный бюджет на уборку и вывоз снега в будущем году. Но для определения объема снега на вашей территории прямо сейчас этот вариант не подойдет.

Расчет по замерам

Этот способ сложнее, но гораздо точнее.

Расчеты ведутся по следующей формуле:

V = S * h

Где S – площадь территории, с которой нужно убрать снег

h – высота снежного покрова

Для замеров высоты можно использовать линейку или рулетку. Для быстрого расчета вы можете взять усредненный показатель высоты снежного покрова, замерив самый низкий и самый высокий уровень снега на вашем объекте.

Затем сложите эти показатели и разделите на 2. Так вы получите среднее арифметическое.

hсред = (hmin + hmax) : 2

Например:

• hmin = 10 миллиметров
• hmax = 100 миллиметров

(10+100) : 2 = 55

Средняя высота получится 55 миллиметров.

Если вы хотите получить как можно более точный расчет, вам нужно сделать несколько замеров высоты снежного слоя. Производить их нужно в тех местах, где высота пок рова меняется. Затем все показатели суммируются и делятся на их количество.

Продемонстрируем это на примере.

Допустим, на вашем объекте замеры дали следующие результаты:

• h1 = 10 мм
• h2 = 13 мм
• h3 = 15 мм
• h4 = 20 мм
• h5 = 30 мм
• h6 = 100 мм

(10+13+15+20+30+100) : 6 = 31,33 мм

Как видите, диапазон высот остался прежним – от 10 до 100 мм. Однако средняя высота снежного покрова изменилась в меньшую сторону и теперь составляет 31,33 миллиметра.

Казалось бы, разница не очень большая. Но давайте попробуем посчитать объем снега на территории, воспользовавшись каждым из этих показателей.

Предположим, нам нужно рассчитать объем снега на площади 200 м2:

Получается 110 кубов снега

А теперь уже 62 куба

Разница – почти в 2 раза. При расчете стоимости это будет ощутимо. Тем не менее, даже если вы сделаете замеры снежного покрова в 20 или 30 разных точках, вам все равно не удастся рассчитать объем с точностью до куба. Но чем больше замеров вы произведете, тем более точный результат получится.

Зависимость нагрузок от угла наклона крыши

Угол наклона крыши определяет площадь и мощность контакта кровли с ветром и снегом. При этом, снеговая масса имеет вертикально направленный вектор силы, а ветровое давление, вне зависимости от направления — горизонтальный.

Поэтому, принимая угол наклона более крутым, можно снизить давление снежных масс, а иногда и полностью исключить возникновение скоплений снега, но, при этом, увеличивается «парусность» крыши, ветровые напряжения возрастают.

Очевидно, что для снижения ветровых нагрузок идеальной была бы плоская кровля, тогда как именно она не позволит скатываться массам снега и поспособствует образованию больших сугробов, при таянии способных промочить всю постройку. Выходом из ситуации является выбор такого угла наклона, при котором максимально удовлетворяются требования как по снеговой, так и по ветровой нагрузкам, а они в разных регионах имеют индивидуальные значения.

Зависимость нагрузки от угла крыши

Плотность снега и запас воды в снежном покрове

Здесь давление в паскалях, а температура в Кельвинах.

Виртуальной температурой называется такая температура, ко­торую должен иметь сухой воздух, чтобы его плотность была равна плотности влажного воздуха при том же давлении. Вирту­альная температура определяется по формуле

Используя виртуальную температуру, к влажному воздуху можно применять уравнение состояния и другие соотношения, справедливые для сухого воздуха. Таким образом, формула для плотности влажного воздуха примет вид

Пример. Определить виртуальную температуру массы воздуха, темпера­тура которой 300 К, парциальное давление водяного пара 18,5 гПа при атмо­сферном давлении 990 гПа.

Задачи и упражнения

8.5. Вычислить плотность сухого воздуха при стандартном атмосферном давлении и температуре 0°С.

8.6. Определить плотность сухого воздуха при атмосферном давлении 970 гПа и температуре –73,2°С.

8.7. Ha сколько изменится плотность сухого воздуха при стан­дартном атмосферном давлении, если температура изменится от +50°С до –50 °С?

8.8. В Долине Смерти (США) зафиксирован абсолютный мак­симум температуры воздуха, равный 58°С. Определить плотность сухого воздуха при этих условиях, если атмосферное давление 1000 гПа.

8.9. В Антарктиде зафиксирован минимум температуры воздуха, равный –88,3°С. Какова при этом была плотность сухого воздуха, если давление составляло 740 гПа?

8.10. Какова плотность воздуха на ст. Ледник Федченко (z = 4169 м) при давлении 600 гПа и температуре –10°С?

8.11. В умеренных широтах тропопауза располагается в сред­нем на высоте 11 км, при этом средняя температура и давление здесь равны соответственно -55°С и 217 гПа. На экваторе высота тропопаузы 18 км. Определить плотность сухого воздуха в тропопаузе в умеренных широтах и над экватором, если над экватором температура –75°С и давление 120 гПа.

8.12. Самая низкая температура в стратосфере Арктики, рав­ная -83,3°С, наблюдалась на высоте 29,9 км при атмосферном давлении 52,4 гПа. Какова при этом была плотность воздуха на указанной высоте?

8.13. На высоте 500 км днем температура равна 1830 К при давлении 3,33∙10-6 гПа, а ночью температура составляет 1186 К при давлении 1,47∙10-8 гПа. Определить суточные колебания плот­ности на указанной высоте.

8.14. При каком атмосферном давлении плотность воздуха при температуре 290 К равна 1,2 кг/м3?

8.15. Какова плотность сухого воздуха в стратопаузе на высоте 50 км, где температура в среднем составляет 0°С, а атмосферное давление 0,85 гПа?

8.16. Какова плотность воздуха в мезопаузе (z

= 90 км), тем­пература которой –80°С, а атмосферное давление равно прибли­женно 1 Па?

8.17. Вычислить плотность воздуха с насыщенным водяным паром при температуре 0°С и атмосферном давлении 1000 гПа.

8.18. Какова плотность воздуха при температуре 300 К, атмо­сферном давлении 1000 гПа и парциальном давлении водяного пара 10,3 гПа?

8.19. На сколько отличается плотность насыщенного водяным паром воздуха при температуре 25°С, атмосферном давлении 1010 гПа от плотности сухого воздуха при тех же значениях тем­пературы и давления?

8.20. Определить плотность воздуха при температуре 290 К, давлении 99∙103 Па и относительной влажности 50%.

8.21. Воздух, плотность которого 1,0 кг/м3 имеет температуру 27°С при парциальном давлении водяного пара 10 гПа. При каком атмосферном давлении возможно такое состояние?

8.22. При каком атмосферном давлении воздух с насыщенным водяным паром, находящийся при температуре 20°С, может иметь плотность, равную 1,0 кг/м3?

8.23. Какую температуру должен иметь сухой воздух, чтобы его плотность равнялась плотности влажного воздуха, имеющего температуру 7°С при атмосферном давлении 1000 гПа и парциаль­ном давлении водяного пара 5 гПа?

8.24. Какую температуру должен иметь сухой воздух, чтобы его плотность равнялась плотности влажного воздуха, имеющего температуру 290 К при атмосферном давлении 1050 гПа и пар­циальном давлении водяного пара 10 гПа?

8.25. Определить виртуальную температуру, если атмосферное давление 910 гПа, температура воздуха 250 К, относительная влажность 50%.

8.26. Какова виртуальная температура насыщенного водяным паром воздуха при атмосферном давлении 950 гПа и темпера­туре 3°С?

8.27. Определить температуру воздуха при атмосферном дав­лении 960 гПа и парциальном давлении водяного пара 10 гПа, если виртуальная температура равна 25,6°С.

8.28. Какова плотность влажного воздуха при давлении 900 гПа и виртуальной температуре 270 К?

8.29. При какой виртуальной температуре плотность влажного воздуха составляет 1,3 кг/м3, если атмосферное давление 1020 гПа?

8.30. Определить виртуальную температуру воздуха при темпе­ратуре 250 К, атмосферном давлении 8∙104 Па, если дефицит насыщения составляет 30 Па.

8.31. Определить разность между виртуальной и молекулярной температурами (виртуальную разность) при температуре 22°C, атмосферном давлении 1000 гПа и относительной влажности 40 %.

8.32. На сколько отличается плотность сухого воздуха от плот­ности воздуха с насыщенным водяным паром при температуре 40°С и нормальном давлении?

8.33. Воздух с насыщенным водяным паром имеет темпера­туру 18°С при атмосферном давлении 1020 гПа. Какое должно быть атмосферное давление, чтобы сухой воздух при той же тем­пературе имел такую же плотность, как и насыщенный?

8.34. Температура воздуха равна 22°С при парциальном дав­лении водяного пара 15 гПа и атмосферном давлении 1000 гПа. Какое давление должен иметь сухой воздух, чтобы его плотность равнялась плотности влажного воздуха?

8.35. У поверхности земли при стандартном атмосферном дав­лении температура воздуха 27°С, а на высоте 2 м в психромет­рической будке температура 25°С. Каково изменение плотности в двухметровом слое воздуха?

8.36. Как изменится плотность сухого воздуха с высотой, если у земли атмосферное давление нормальное, температура 273 К, вертикальный градиент температуры 3,42°С/100 м?

8.37. На сколько изменится плотность с высотой в шестнад­цатиметровом слое воздуха при изотермии, если у поверхности земли атмосферное давление нормальное и температура воздуха равна 273 К?

8.38. У поверхности земли температура воздуха 250 К и дав­ление 105∙103 Н/м2. На сколько изменится плотность сухого воз­духа с высотой в инверсионном слое мощностью 24 м при верти­кальном градиенте температуры –1,0°С/100 м?

8.39. У поверхности земли воздух с насыщенным водяным па­ром при температуре 293 К. На высоте 200 м относительная влажность равна 50%. Как изменится плотность воздуха с высо­той в указанном слое, если у земли атмосферное давление 1020 гПа, а вертикальный градиент температуры равен сухоадиабатическому?

Источник