Процесс образования льда как называется

Физические основы образования льда

В холодильной технике льдообразование почти всегда протекает в условиях, когда имеются необходимые предпосылки для возникновения кристаллов льда. Образование твердой фазы из жидкой начинается только в отдельных точках — центрах кристаллизации. В свою очередь образование первичных центров кристаллизации возможно только при переохлаждении жидкости. Переохлаждением жидкости — называют разность температур между температурой плавления твердой фазы и температурой, при которой выделяются первые кристаллы. После появления кристаллов температура жидкости возрастает до температуры плавления. Необходимость переохлаждения вызывается тем, что возникающие группировки (диспергированные кристаллы) с упорядоченным размещением молекул, близким к структуре кристаллов твердой фазы, неустойчивы. Эти группировки в соответствии с квазикристаллическим строением жидкости непрерывно разрушаются под воздействием теплового движения молекул. Когда температура жидкости становится ниже точки плавления, воздействие теплового движения молекул уменьшается.

Однако эти группировки, представляющие собой только несколько молекул с правильной кристаллической ориентировкой, остаются неустойчивыми и в условиях переохлаждении. Кристаллическая группировка становится устойчивой только тогда, когда в ней содержится несколько сот молекул. Образование такой группировки не может происходить самопроизвольно: оно требует содержания в жидкости твердых частиц. Стабильность этих групп может возникнуть только на поверхности раздела жидкости и твердых частиц, так как здесь имеется пленка жидкости, обладающая особыми свойствами молекулярной ориентации, отличающими ее от остальной массы жидкости.

При движении воды у охлаждаемой стенки первые кристаллы должны выделяться в виде тонкого слоя льда, так как у нее находится наиболее переохлажденная пленка жидкости, обладающая свойствами молекулярной организации, необходимыми для образования устойчивых группировок.

Наиболее благоприятными условия будут тогда, когда теплопередающая стенка по структуре своей поверхности приближается к структуре кристаллов льда и когда теплопередача через стенку проходит интенсивно. Поэтому шероховатые металлические стенки, особенно медные, при интенсивном охлаждении создают более благоприятные условия для образования первых кристаллов льда, чем гладкие и полированные, особенно стеклянные, при медленном их охлаждении.

При интенсивном охлаждении воды с температурой выше 0°С у металлической стенки образуется тонкий сплошной слой льда и переохлаждение воды резко падает до тысячных долей градуса (практически можно считать, что переохлаждение отсутствует). Температура поверхности льда на границе с водой в течение всего дальнейшего процесса охлаждения ее остается постоянной и равной 0°С. Действительно, температура плавления льда при атмосферном давлении не может быть выше 0°С, так как известно, что иметь двойную фазу вещество в перегретом состоянии не может. С другой стороны, температура может понижаться лишь на тысячные доли градуса. Таким образом, практически температура льда на границе может быть принята равной 0°С.

Источник

Ледостав

Ледостав – это явление природы, характерное для большинства рек и озер России, Азовского, Аральского и Каспийского морей, а также некоторых водоемов стран Балтии, Украины, Белоруссии, Молдовы, Средней Азии, Закавказья. На вопрос о том, что такое ледостав, можно ответить, что это неподвижный слой льда, образующийся на водоемах в осенне-зимний период.

Что такое ледостав

Поздней осенью можно наблюдать, как вода в водоемах становится темной, почти черной. При этом она имеет плотную и вязкую консистенцию. Это говорит о начале замерзания водоема. После этого наступает ледостав. Данным термином принято называть не только сам слой льда, покрывающий реки, но и процесс образование ледяного покрова, а также временной отрезок, в течение которого он не тает.

Характеристики явления, такие как период, толщина льда и скорость его установления, зависят от нескольких факторов:

• от ландшафта и рельефа местности;
• от особенностей речного русла и дна;
• от погоды – атмосферной температуры, ветра и его интенсивности, а также наличия туманов;
• от размера и течения реки – чем меньше водоем, тем быстрее произойдет замерзание.

Кроме того, длительность данного природного явления определяется толщиной и структурой слоя льда, а также продолжительностью холодного периода.

У горных водоемов с бурным течением сплошной ледяной покров не устанавливается. На равнинных реках также могут быть не замерзшие участки. Они называются полыньями:

Такие участки возникают в местах, где наиболее бурное течение или вода теплее, чем во всем водоеме.

Процесс образования льда

С наступлением холодной погоды, когда температура опускается ниже 0°С, начинается процесс образования ледяного слоя. Равномерность замерзания воды зависит от некоторых факторов:

1. На озерах, прудах, где нет течения, процесс происходит равномерно.
2. В безветренную и морозную погоду замерзание водоема происходит равномерно. Сначала поверхность воды как бы загустевает, затем происходит постепенное промерзание.
3. Если морозы сопровождаются ветром, замерзание начинается от берегов. Сначала образуются тонкие корки ледяного слоя. Их называют «забереги» — лед цепляется за берега, сигнализируя о начале ледостава. Далее появляются участки с тонким слоем плоских льдинок по всему руслу реки. Когда идет снег и хлопья попадают в холодную воду, они уже не тают. Движение льдинок совместно с водой и снегом приводят к образованию кашеобразного слоя. Этот процесс называется шуга – снежные хлопья, перемешанные с водой. Они плавают уже не только на поверхности, но и образуются в толще воды. Постепенно шуга превращается в ледяные участки, которые смерзаются и покрывают водоем полностью.

Окончательно период ледостава наступает, когда от берегов русло реки постепенно покрывается льдом и соединяется с заберегами. Быстрее вода замерзает у истоков, где не такое быстрое течение, а устье реки сковывается ледяным слоем в последнюю очередь.

Когда бывает ледостав

Процесс не имеет определенных временных границ. В каком месяце он наступит, зависит от того, какие особенности имеет водоем, а также от погодных условий, в том числе от количества выпавшего снега.

Ледостав характерен практически для всех водоемов России и его продолжительность увеличивается по направлению с юга на север.

В северной части страны ранний ледостав. Лед встает с конца октября и полностью покрывает водоемы к началу ноября. На южных просторах он начинается с середины ноября. В это время температура воздуха там устанавливается ниже -5°С.

Раньше всех покрываются льдом реки Таймыра. Ледостав здесь бывает уже в сентябре. Дальше процесс продвигается на юг и длится около трех месяцев. Окончательно процесс заканчивается к концу декабря.

Зоны ледостава

Длительность ледостава зависит от климата и длится от 1 до 8 месяцев. В зависимости от этого его можно разделить на зоны. Условно выделяют четыре зональности:

1. Архангельская и Мурманская области, Тюмень, республика Коми, Таймыр, Якутия, Камчатка, Амурская область, Магаданская область — здесь ледостав длится особенно долго. Сплошной ледяной покров сковывает водоемы в октябре и держится до мая.
2. Курская, Брянская, Астраханская области, Северная Осетия, южные области Приморского края, Ставропольский край — в этих местах устойчивый процесс наблюдается на реках с декабря по март.
3. Страны Балтии, Украина, Белоруссия, Азовское, Аральское и Каспийское моря — здесь продолжительность имеет краткосрочный характер. При этом лед на реках неустойчив.
4. Молдова, Средняя Азия, Закавказье — процесс ледостава здесь отсутствует или имеет нерегулярный характер. Льдом могут покрываться лишь небольшие участки рек и на непродолжительное время.

Даже имея знания о временных промежутках ледостава в конкретной его зоне точно спрогнозировать сроки замерзания рек не представляется возможным. Это связано с тем, что в каждой зоне могут наблюдаться отклонения от средних показателей. Сроки могут смещаться на время от одного месяца до трех в зависимости от погодных условий.

Осенний ледостав может сопровождаться ледоходом – движением льда, вызванным порывами ветра и течением. В результате могут образовываться заторы. Происходит это чаще всего на водоемах небольших размеров, имеющих слабое течение. Процесс может быть вызван потеплением. Под действием течения еще не до конца сформировавшийся лед начинает ломаться и скапливаться. С наступлением мороза льдины смерзаются и образуют торосы. Их длина может достигать трех метров.

В некоторых регионах автомобильное движение через реки возможно только в период ледостава.

Большинство рек в России начинают вскрываться ото льда в марте и полностью этот процесс заканчивается лишь в мае.

Источник

Что такое ледостав и чем он отличается от ледохода?

Река – это не просто поток воды, несущийся из одного конца в другой, с возвышенности в низменность, от ручья к морю. Это сложная экосистема, включающая в себя множество взаимодействующих друг с другом элементов.

Река живет своей жизнью – вспенивается и становится бурной в период паводка, выходит из берегов в половодье, мелеет во время летней жары. Зиму же река встречает процессом образования сплошного покрова льда на поверхности – ледоставом.

Ледостав – это и сам процесс образования льда на водоеме, и период, в течение которого этот ледяной покров не тает. Продолжительность ледостава, толщина ледяного покрова и скорость его образования зависят от ландшафта, особенностей реки и погодных условий (температуры воздуха, силы ветра и так далее). Чем меньше река и чем слабее ее течение, тем быстрее она замерзнет.

Бурные и быстрые горные реки не имеют сплошного ледостава. Но даже и в равнинных реках могут оставаться участки, где вода не замерзает. Такие места называют полыньями, а образуются они там, куда попадают более теплые воды или где течение самое быстрое. В России ледостав на реках начинается в конце ноября; окончательно замерзает лед к середине декабря, а начинает таять уже в апреле.

Процесс образования льда

Замерзание воды начинается в тот момент, когда ее температура опускается до нуля градусов по Цельсию. Водоемы со стоячей водой покрываются льдом равномерно. Реки замерзают по-разному.

Если ветра нет, а погода стоит морозная, вода замерзает сравнительно равномерно, сначала как будто загустевая. При ветреной погоде тонкие ледяные корки образуются сначала у берегов. Эти места называют «забереги»: лед здесь как будто цепляется за берега реки. Забереги являются первым признаком того, что на реке начался ледостав.

Следующий этап – появление в русле небольших плоских льдинок. Если начинается снегопад, хлопья снега падают в остывшую реку и не тают. Вода, смешанная со снегом, становится кашеобразной, и в народе ее называют снежура. После этого снег и льдинки начинают соединяться между собой, образуя шугу – комья льда со снегом, плывущие и по поверхности, и в толще воды. После этого шуга смерзается в льдины, толщина и площадь которых постепенно увеличивается.

Окончательно лед останавливается, когда эти льдины разрастаются до берегов и смыкаются с заберегами. Начинается замерзание воды у истока, где течение не слишком быстрое, затем покрываются льдом отмели и участки у берегов; район устья реки замерзает в последнюю очередь.

О ледоходе

Ледоходом называют движение льдин по руслу реки под воздействием ветра или течения. Осенний ледоход наблюдается после того, как в воде появилась снежура и шуга; именно из шугового льда и оторвавшихся заберегов и получаются льдины, образующие ледоход.

Осенний ледоход случается в период замерзания и завершается ледоставом. Льдины при этом могут размываться осенними дождями, ломаться, разбиваться ветром, срастаться между собой, образуя толстые торосы.

Весенний ледоход – это период после ледостава, когда лед под воздействием течения, температуры воздуха и ветра вскрывается, и начинается движение льдин по течению перед окончательным таянием льда. Этот процесс обычно длится с конца марта до мая. На крупных реках ледоход может сопровождаться заторами, образуемыми большим количеством скопившихся в одном месте ледяных фрагментов.

Зоны ледостава

В разных климатических широтах ледостав происходит по-разному. Условно можно выделить четыре зоны, которые отличаются по продолжительности этого явления. Особо длительный ледостав, с октября по май, наблюдается в Архангельской, Мурманской областях, в Тюмени, Коми АССР, на Таймыре, в Якутии, Иркутской и Амурской областях, на Камчатке и в Магаданской области.

Зона устойчивого ледостава расположена южнее, к ней относятся Курская, Брянская, Астраханская области, Ставрополье, Северная Осетия, юг Приморского края. Ледостав здесь длится с ноября по апрель. Кратковременный и неустойчивый ледостав с декабря по март наблюдается на реках и водоемах стран Балтии, в Беларуси, Украине, в бассейнах Азовского, Аральского и Каспийского морей. Нерегулярный ледостав или полное его отсутствие фиксируются в Молдове, регионах Средней Азии и Закавказья.

Точно определить календарные сроки ледостава невозможно – в разных зонах допустимы отклонения от среднегодовых показателей на месяц-три, обусловленные особенностями погоды. К примеру, ледостав на Волге обычно длится до полугода.

Источник

Лёд: классификация, температура, свойства, применение

Лёд – это вода в твердом агрегатном состоянии. Мы часто встречаем его в повседневной жизни: в холодное время лёд сковывает реки и лужи, появляется в виде ледяных узоров на окнах, сосульках на крышах. Мы можем приготовить его в любое время в холодильнике.

Лёд выполняет важную роль на Земле: участвует в круговороте воды в природе, снабжает нашу планету огромным объёмом пресной воды и сдерживает глобальный уровень воды в мировом океане.

Не только вода подвергается замораживанию. Поэтому название «лёд» получили и другие вещества. Например, существует сухой, аммиачный, метановой.

В данной статье мы подробно остановимся на природном кристаллический льде, который получается при замерзании воды. Рассмотрим: уникальные свойства, температуру, плотность, формулу и разновидности льда, которые создаются в лабораторных условиях при разном давлении и температуре.

Что такое лёд

Лёд – (вода в твердом агрегатном состоянии), твердое тело, образующееся из воды при понижении ее температуры до нуля и ниже. Образование происходит в результате кристаллизации – изменения состояния молекулярной решетки. Химическая формула — H2O. Рассмотрим строение молекулы на изображении № 1.

Кристаллическая структура напоминает структуру алмаза. Каждая молекула Н2О связана с тремя молекулами в своём слое и с одной молекулой соседнего слоя.

Лёд в природе

Изучением природных льдов во всех разновидностях на поверхности Земли, атмосфере, гидросфере, литосфере занимается наука – Гляциология.

Рассмотрим подробнее основные виды льда:

Атмосферный

Образуется в атмосфере и на земной поверхности. Выпадает на Землю в виде осадков: снега, инея, града. Также может образовать ледяные облака и туман.

Ледниковый (глетчерный)

Образуется в результате накопления и его последующего преобразования в ледяную массу. Ледники занимают 11 процентов суши. Наибольшая часть ледников расположены в Антарктиде. Самый известный шельфовый ледник Его площадь превышает 500 тыс. км2, а толщина льда достигает 700 м.

Подземный

Находится в верхней части земной коры. Основная масса находится в Северном полушарии. По подсчетам ученых запасы достигают от 0,3 до 0,5 млн км3

Морской

Образуется в море, океане при замерзании воды. Различают следующие виды:

• Припай – прикрепленный к берегу или отмели ледяной покров. Его площадь может достигать от несколько метров до тысячи километров.
• Паковый (многолетний) – морской, толщиной не менее 3 метров.
• Плавучий (дрейфующий) – это айсберги, обломки льдин.

По форме айсберги бывают столообразные и пирамидальные. Часто достигают гигантских размеров. Площадь гигантов уменьшается прогрессивно по мере их продвижения в более низкие широты.

Космический

Ледяной покров можно встретить в солнечной системе: на планетах, спутниках, кометах.

Температура

На Земле практически весь лёд относится к одному виду, названному «обычный кристаллический» или по-научному — лёд Ih.

Кристаллический лёд (Ih) образуется при t от 0 °C и ниже, соленая вода замерзает при t 1,9 °C. При нагревании тает и снова превращается в воду.

Существуют другие виды льда, созданные в экспериментальных условиях. Для них соответствует своя температура и давление. Рассмотрим изображении № 3.

Плотность

Уникальные свойства молекулы воды позволяют ей трансформироваться в разные агрегатные состояния: жидкое, твердое, газообразное. Молекула льда, как и жидкой воды, имеет один и тот же состав.

Одна молекула состоит из трех атомов: двух атомов водорода и одного атома кислорода, которые соединены между собой ковалентной связью.

Плотность льда (р-0,917 г/см3), жидкой воды (р-0,9982 г/см3)

Рассмотрим различия в строении молекулы на изображении № 4.

В кристалле льда между молекулами воды остаются пустоты. Объем пустот чуть больше, чем размер отдельной молекулы воды. Поэтому он имеет наименьшую плотность.

Таким образом, образующийся зимой ледяной покров не тонет, а плавает на поверхности воды, так как его плотность меньше плотности жидкой воды.

Иначе все водоемы зимой наполнились бы льдом, и в них не могли бы существовать живые организмы. Большинство других веществ увеличивают свою плотность при замерзании.

Физические свойства льда

1. Самое известное свойство – способность таять или расплавляться.
2. Бесцветность и прозрачность. В больших скоплениях пропускает свет и приобретает синеватый оттенок.
3. Твердость (сохраняет форму).
4. Плавучесть (плотность меньше чем воды).
5. Непрочность (хрупкость).
6. Спайность (раскалывается по кристаллографическим направлениям).
7. Необычное свойство – большинство растворенных в воде примесей не передается льду, когда он начинает расти; они вымораживаются.

Виды и фазы

В настоящее время науке известны следующие разновидности и фазы. Подробная информация предоставлена на изображении № 3.

Получение

В современном мире получение льда – процесс доступный. Достаточно взять любую емкость, наполненную водой, поставить на время в морозилку и получить твердое состояние воды.

Ледяной покров появляется при замерзании воды, при температуре от 0°C и ниже. Замерзание начинается с верхнего слоя. В ней образуются микроскопические ледяные иголочки, которые затем смерзаются между собой.

Применение

Лед имеет широкий спектр применения в разных сферах жизнедеятельности:

• для очистки питьевой воды;
• для хранения и охлаждения пищевых продуктов, напитков, медицинских препаратов;
• для изготовления ледяной гидросмеси;
• используют, как материал для строительства жилища;
• для некоторых видов спорта используются катки с искусственным охлаждением;
• помогает изучить прошлое нашей планеты и явлений космоса;
• аморфный вид используют в некоторых научных экспериментах, особенно электронной криомикроскопии.

7 интересных фактов

1. Лед снабжает планету пресной водой и сдерживает глобальный уровень воды в мировом океане
2. Обладает меньшей плотностью, чем вода. Благодаря этому морские жители продолжают свою жизнедеятельность. Большинство других веществ увеличивают свою плотность при замораживании.
3. Способен к самоочищению. Замёрзлая, вода вытесняет примеси которые были в ней растворены.
4. Более 2/3 запасов пресной воды на Земле хранится в ледниках.
5. Существует не только на Земле. Встречается в солнечной системе, на кометах, других планетах.
6. В Антарктиде сосредоточено 90% от всех льдов суши.
7. Общая площадь вечной мерзлоты на Земле — 35 млн км². Грунтовые воды находятся в виде льда, глубина иногда превышает 1000 метров.

Подведём итоги

Лед – одно из уникальных явлений природы на Земле. Он всегда приковывал к себе пристальное внимание. Ученые постоянно проводят исследования в данной области, открывая новые фазы и виды.

Вода на Земле существует в трех агрегатных состояниях: жидком — это ее преимущественное состояние, твердое (лед), газообразное (водяной пар). Благодаря этому происходит круговорот воды в природе и жизнь на Земле.

Источник