Что отдает тепло вода или лед

Теплопроводность воды и льда и их особенности

Вода и лед: теплопроводность: Freepick

Теплопроводность воды в жидком и твердом состоянии обеспечивает жизнь в водоемах в зимний период. Что означает показатель и как его изменения помогают водной флоре и фауне? В поисках ответов на эти вопросы ученые обнаружили много интересных фактов.

Теплопроводность воды и льда

Особенные физические свойства имеет вода. Теплопроводность ее, например, в жидком и твердом состоянии отличается, что очень важно для природы. Прежде чем узнать точные значения этого показателя и рассмотреть примеры, познакомимся поближе с самим явлением.

Что такое теплопроводность

В прежние времена люди считали, что тепловая энергия передается благодаря перетеканию некоего «теплорода» из одного места в другое.

Но молекулярно-кинетическая теория подробно изучила это явление и сумела объяснить его с учетом взаимодействия частиц вещества. Молекулы из более нагретых частей двигаются быстрее и способны делиться энергией с холодными частями, сталкиваясь с их медленными частицами.

Как мы понимаем теплопроводность сегодня? Так ученые называют способность материального тела проводить энергию (тепло) от более нагретой части к менее нагретой благодаря хаотическому движению частиц — атомов, молекул, электронов и т. п.

Обмен теплом происходит в любом теле с неоднородно распределенной температурой. Однако его механизм отличается в зависимости от того, твердое, жидкое или газообразное вещество перед нами.

Также под теплопроводностью понимают количественную характеристику способности тела к проведению тепла. Если сравнить тепловую цепь с электрической, то этот показатель будет аналогом проводимости.

Количественно данное свойство характеризуют коэффициентом теплопроводности, который также известен как удельная теплопроводность:

• Эта характеристика показывает количество тепла, которое в течение единицы времени при температурной разнице 1 К проходит сквозь однородный образец материала с определенной длиной и площадью.
• Международная система единиц (СИ) приводит для него такие единицы измерения — Вт/(м×град) или Вт/(м×К).

Особенные свойства воды: Freepick

Каковы теплофизические свойства воды и льда

Коэффициент теплопроводности воды меняется в зависимости от температуры:

1. При 0 °С он равняется 0,569 Вт/(м×град).
2. При ее повышении он постепенно растет и, например, при температуре 20 °С составляет 0,603 Вт/(м×град).

С учетом столь маленьких значений коэффициента для воды перенос тепла в водных объектах становится не совсем обычным процессом. В природе на первый план в переносе тепла в водоемах выходят турбулентные процессы.

Теплопроводность льда имеет следующие особенности:

1. Коэффициент теплопроводности в чистом, лишенном пузырьков воздуха льде при 0 °С составляет 2,22 Вт/(м×град).
2. По мере уменьшения температуры показатель снижается.

Таким образом, показатель теплопроводности льда при 0 °С практически в четыре раза превышает данный показатель для воды при такой же температуре. Это говорит о том, что тепло проводится льдом гораздо быстрее, чем водой. Поэтому в живом организме замерзание происходит быстрее, чем оттаивание.

Почему вода не замерзает под толстым слоем льда

Показатели и особенности теплопроводности воды имеют важное значение для природы, а точнее, для жизни водоемов. Во многих уголках планеты температура окружающей среды значительно меняется в течение года.

Но даже при экстремально низких температурах водоемы никогда не промерзают до дна, благодаря чему в них сохраняется жизнь. В чем секрет? Разгадать эту загадку можно, если помнить о некоторых свойствах льда и воды.

Низкая теплопроводность льда

У льда плохая теплопроводность, поэтому, когда температура воздуха вокруг него снижается, под ним сохраняется относительное тепло. В любом случае температура будет плюсовая, благодаря чему вода не промерзнет до дна.

Таким образом из толстого слоя льда на водоеме получается своеобразное одеяло, оберегающее от мороза жизнь в водоемах. Чем сильнее холода, тем толще необходим слой льда, чтобы создать нужную теплоизоляцию.

Расширение воды при замерзании

Вода под слоем льда: Freepick

В процессе замерзания вода ведет себя нетипично для жидкости. Практически все жидкости во время охлаждения сжимаются, их объем сокращается, а концентрация увеличивается. К примеру, твердый воск тяжелее, чем жидкий, потому погружается в него и остается на дне.

С водой же происходит следующее:

• Она ведет себя так же, как и другие жидкости, до отметки в +4 °С, то есть сжимается.
• Дальнейшее замораживание приводит к постепенному расширению и уменьшению массы.
• Лед, который образуется при нулевой температуре, оказывается легче, чем незамерзший слой воды с плюсовой температурой.

Таким образом, вода при охлаждении не сжимается, а расширяется. В ходе этого процесса ее вес уменьшается.

Особенности плотности воды

Вода — особенное вещество еще и потому, что ее плотность в жидком состоянии выше, чем в твердом. Максимальной плотностью обладает вода при температуре +4 °С. В зимний период вода с такой температурной отметкой окажется на дне. Поверхность же украсит лед с плотностью около 900 кг/м³.

Сразу под ним будет вода с температурой около 0 °С, а по мере набора глубины температура достигнет +4 °С. При этом плотность будет расти, что не даст слоям смешаться и замерзнуть.

Как же замерзают водоемы? Этот процесс происходит так:

1. Вначале происходит охлаждение воды до +4 °С, ее плотность возрастает, и она спускается ко дну водоема. Нижние теплые слои, соответственно, поднимаются наверх, где происходит их остывание и дальнейшее погружение вниз.
2. Как только вся толща воды охладится до +4 °С этот процесс замедлится.
3. Дальнейшее охлаждение верхнего слоя приводит к процессу расширения и снижения плотности воды около поверхности. Опуститься вниз она уже не способна, поэтому продолжится замерзание и кристаллизация.
4. При нулевой отметке из верхнего слоя образуется лед, а нижний слой сохранит жидкое состояние.

Сохранение температуры выше ноля в нижнем слое водоемов обеспечивает живые организмы возможностью выжить в условиях суровой зимы. Если бы вода не имела таких особенных физических свойств, то всей водной флоре и фауне грозило бы вымирание.

Интересно, что аналогичное свойство было обнаружено в Солнечной системе на спутниках планет-гигантов, на которых существуют большие запасы воды. В придонных зонах внеземных океанов показатели температуры, как правило, еще выше.

Ученые считают, что жидкую воду можно обнаружить под льдом таких планет, как Европа, Каллисто, Ганимед, Рея, Титания, Оберон, Тритон, Плутон. Возможно, их ледяные корки скрывают огромные океаны.

Теперь вам известно не только то, какова теплопроводность воды, но и чем она особенна и чем полезна природе. Все эти чудеса постоянно происходят вокруг нас. Физика объясняет их и делает загадочные явление понятными.

Узнавайте обо всем первыми

Подпишитесь и узнавайте о свежих новостях Казахстана, фото, видео и других эксклюзивах.

Источник

Отопление с помощью льда. Извлечение энергии фазового перехода вода-лёд

Любое отопление – это получение энергии (в основном химическим способом окисления топлива), либо перенос энергии теплоносителем тепловыми насосами. Эта тема относится к модификации грунтового теплового насоса. Информация будет интересна для тех, кто знаком с принципом его работы.

Заголовок статьи звучит парадоксально, но этот способ можно кратко описать именно так. Используется физическое явление выделения энергии при фазовом переходе вода-лед:

Известно, что вода при замерзании выделяет много тепловой энергии (330 кДж/кг), это почти в 80 раз больше, чем выделяется при её остывании на 1 гр. При этом процессе замерзания вода не меняет свою температуру (-1С) пока не замерзнет весь ее объем.

Система представляет из себя не грунтовый теплообменник как в тепловом насосе грунт-вода, а тепловой насос вода-вода: в бетонную или иную надежную емкость, закопанную на глубину 4 м, устанавливают сам теплообменник и заливают воду. Тепловой насос извлекает тепло из воды, а в момент ее замерзания – вода отдает еще больше тепла.

Замершая вода в крайнем цикле процесса. А что дальше? Выкачивать тепло из льда уже не получится. Система останавливается? Да, и тепловой насос должен переключиться на вторую установку, вторую емкость. А первая переходит в режим оттаивания. Но тепло от грунта будет растапливать этот лед месяцами. Это и есть основной минус системы. Также нужна надежная емкость. Лед расширяется при замерзании воды и может деформировать бетонные кольца.

Для ускорения процесса оттаивания используют солнечные коллекторы:

В сибирские морозы в пасмурную погоду они не работают, но в ясную солнечную могут выдавать определенный объем тепловой энергии для оттаивания подземной емкости с водой. После замерзания воды во втором контуре – коллекторы переключаются на него, а система переходит на извлечение тепла из первой. Как становится понятным, нужна автоматика, контроллеры, следящие за температурой воды.

Основные цифры, говорящие, сколько содержится тепла (энергии) в определенной емкости:

По моим подсчетам, этого тепла в зимний период хватит на 10 дней для отопления дома площадью 120 м2 (если не прав — поправьте).

Есть информация, что под Гамбургом введена в эксплуатацию такая система отопления от энергии фазового перехода вода-лед и работает с 2015г. Емкость 1,5 млн. литров воды отапливает 500 домов. В Европе такая система с использование солнечных коллекторов вполне применима. И там ее плюс будет в том, что не нужно бурить скважины для теплообменников традиционных тепловых насосов грунт-вода. Меньше затрат на эти работы.

В свое время попадалось видео, где пенсионер-изобретатель поливал стену своего дома водой, та замерзала и он доказывал, что при замерзании выделяется тепло, которое компенсирует теплопотери дома.

Фотографии взяты из открытых источников, с сервиса Яндекс.Картинки

Подписывайтесь на канал, заносите его в закладки браузера (Ctrl+D). Впереди много интересной информации.

Источник

Почему горячая вода замерзает быстрее холодной

Холодная погода характерна для большей части нашей страны. Кроме катания на лыжах в это время можно проводить некоторые эксперименты с водой. Например, бросать в воздух горячую воду, делая тем самым снег. Этот эффектный трюк основан на интересном факте, известном ещё со времён Аристотеля.

Описывается он просто — горячая вода замерзает быстрее холодной. Данное свойство получило название эффекта Мпембы. Танзанийский школьник обнаружил это явление в 1963 году. Так почему же горячая вода замерзает быстрее холодной?

Эксперименты с мороженым

Эрасто Мпемба и другие дети в его школе часто делали мороженое, используя школьную морозильную камеру. Процесс был таков: они кипятили молоко и смешивали его с сахаром. После чего эту смесь помещали в морозилку. И однажды Мпемба поспешил и положил получившуюся субстанцию охлаждаться в разгоряченном состоянии.

Получилось так, что его мороженое получилось быстрее, чем у одноклассника. Но школьнику мало кто поверил, и в 1969 году Мпемба вместе с профессором физики опубликовали статью по этому поводу. Данный эффект наблюдается не всегда, поэтому если вы попытаетесь повторить его дома, далеко не факт, что это произойдёт. Вероятно, на это есть несколько причин .

Версии объяснения данного эффекта

Обнаружение эффекта Мпембы не позволило с абсолютной точностью объяснить данное явление. Полностью понять этот процесс пока не получилось, но научных споров ведётся много. И существует несколько версий объяснения эффекта Мпембы.

Наиболее часто выдвигаемая гипотеза — горячая вода испаряется из-за потери массы. В результате жидкость замерзает, теряя меньше тепла. Однако были случаи, когда эффект Мпембы наблюдался и в закрытых контейнерах, где испарения не было.

Другое предположение состоит в том, что вода развивает конвекционные потоки и температурные градиенты по мере ее охлаждения. Быстро остывающий стакан с горячей водой будет иметь большие перепады температур и быстрее отводить тепло от поверхности. В то время как равномерно охлаждённый стакан воды имеет меньшую разницу температур. Также получается меньше конвекции, ускоряющей процесс.

Существуют также и другие теории. Например, согласно одной из них все дело во влиянии растворенных газов в воде на процесс замораживания. В 2013 году группа исследователей из Сингапура предложила свою версию объяснения эффекта Мпембы. По их словам, разгадка кроется в уникальных свойствах химических связей в воде.

Как известно, стандартная молекула воды содержит один атом кислорода и два атома водорода. Они соединены ковалентными связями. Но когда происходит соединение нескольких молекул, атомы водорода также образуют связи с атомами кислорода в других молекулах. Эти водородные связи придают воде некоторые ее свойства, такие как относительно высокая температура кипения и уменьшенная плотность при заморозке.

Исследователи считают, что во время кипения воды молекулы растекаются, удлиняя водородные связи. Но из-за ограниченного объема ковалентные связи в отдельных молекулах сжимаются, накапливая энергию. Если вода замерзает в таком состоянии, связи высвобождают энергию в виде «размотанной пружины», охлаждаясь гораздо быстрее.

Но не все эксперты согласны с такой трактовкой эффекта Мпембы. Кто-то обвиняет экспертов в том, что их теория могла бы предсказать новое свойство воды. Однако его нет в привычном понимании. Химик Ричард Заре из Стэнфордского университета вовсе считает, что быстрое замерзание горячей воды преимущественно зависит от испарения.

Скорее всего, именно из-за этого и происходит эффект Мпембы. Возможно, в будущем ученым удастся полностью доказать это или привнести какие-то поправки к объяснению.

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