При замерзании вода отдает тепло

А что нам говорит физика о замерзании воды.

Вот, есть два варианта
1. вода в системе отопления просто стоит (насос её не гоняет)
2. вода в системе гоняется насосом

Ну, и предположим в этих условиях температура падает ниже нуля.
При равных условиях вода в обеих системах одновременно замёрзнет (в первом приближении) или будет заметная разница?

Спрашиваю, так как, например, если вырубили электричество и есть АКБ, можно ли таким образом гонять воду в трубах, чтобы хоть как-то продержаться пока электросети восстанавливают электроснабжение.
Например как после вчерашней бури, когда вчера вечером как вырубилось и до сих пор «фигвам».

Re:А что нам говорит физика о замерзании воды. > Ну, и предположим в этих условиях температура падает ниже нуля.
> При равных условиях вода в обеих системах одновременно замёрзнет (в первом приближении) или будет заметная разница?

вне всякого сомнения разница будет.

Во первых при циркуляции, вода в системе остывает равномерно.
Выделение тепла, в разных точках, отличается сильно.

Например в хорошо утепленной комнате, без сквозняков,температура будет падать значительно медленее, чем в котельной с большим объемом естественной вентиляции через дымоход.
Т.е. во всем доме может быть положительная температура, а в котле уже минус, особенно если топочный воздух забирается с улицы.

В таком случае сохранившаяся циркуляция будет перекачивать тепло из более теплых помещений в менее теплые.

Особено сильно значение этого фактора возрастает в связи с большим порогом потери тепла при кристаллизации.

Т.е. без циркуляции локальное образование льда будет зависить только от теплоемкости воды в локальном участке(наример 100 мл) , а при циркуляции уже задействована вся система (у меня 100литров)

Я бы предположил увеличение живучести стандартной системы отопления дня на 3.

Источник

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.

Экология человека: что это такое и что изучает наука

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).

Парниковый эффект: суть явления, причины и последствия

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 Земля круглая и откуда возникли теории о плоской Земле

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.

Интересные факты о воде для школьников

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.

Атомы и молекулы: что о них известно

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:

Сила тяжести: формула, единицы измерения, особенности

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.

Центр Вселенной: что это и где он находится

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

Еще одно объяснение эффекта Мпембы (это про почему кипяток замерзает быстрее холодной воды)

От переводчика: всю жизнь мучился вопросом, а тут на тебе- опять объяснили.

Краткое содержание: из-за наличия водородных связей в молекулах воды происходит изменение конфигурации ковалентных связей О-Н, с запасанием в них дополнительной энергии, выделяющейся при охлаждении и работающей как дополнительный подогрев, мешающий замерзанию. В горячей воде водородные связи растянуты, ковалентные не напряжены, запас энергии мал- остывание и замерзание идет быстрее. Существует некоторое характерное время tau, необходимое на формирование водородных связей, если процесс охлаждения будет идти медленно- то эффект Мпембы исчезнет. Если процесс охлаждения идет относительно быстро (до десятков минут)- то эффект выражен. Вероятно, должна быть и какая-то критическая температура, начиная с которой эффект появляется, но в статье это не отражено.

На КДПВ приведено изображение из оригинальной статьи, глядя на которое читатель должен со всей ясностью увидеть, что в ковалентных связях запасается энергия, которая затем может выделяться в виде дополнительного тепла, мешая остывать холодной воде.

История вопроса

Аристотель первым отметил, что горячая вода замерзает быстрее холодной, но химики всегда отказывались объяснять этот парадокс. До сегодняшнего дня.

Вода одно из самых обычных веществ на Земле, но в тоже время одно из самых загадочных. Например, как и у большинства жидкостей, ее плотность растет при охлаждении. Однако, в отличие от остальных, ее плотность достигает максимума при температуре 4С, а затем начинает уменьшаться вплоть до температуры кристаллизации.

В твердой фазе вода имеет несколько меньшую плотность, из-за чего лед плавает на поверхности воды. Это одна из причин существования жизни на Земле — если бы лед был плотнее воды, то при замерзании он опускался бы на дно озер и океанов, что сделало бы невозможным многие типы химических процессов, которые делают жизнь возможной.

Итак, существует странный эффект Мпембы, названный в честь танзанийского студента, который обнаружил, что горячая смесь для мороженого замерзает быстрее, чем холодная в морозилке школьной кухни где-то в начале 1960-х. (На самом деле этот эффект отмечался множеством исследователей в истории, начиная с Аристотеля, Фрэнсиса Бэкона и Рене Декарта).

Эффект Мпембы заключается том, что горячая вода замерзает быстрее холодной. Этот эффект измерялся во множестве случаев с различными объяснениями, изложенными далее. Одна из идей заключается в том, что горячие сосуды имеют лучший тепловой контакт с морозильной камерой и отводят тепло более эффективно. Другая- в том, что теплая вода испаряется быстрее, а так как этот процесс- эндотермический (идет с поглощением теплоты)- то он ускоряет замерзание.

Ни одно из этих объяснений не выглядит правдоподобным, поэтому реальное объяснение до сих пор отсутствовало.

Новое объяснение эффекта (теперь-то уж точно правильное)

Сегодня Зи Чанг из Наньянгского технологического университета Сингапура и несколько его коллег предоставили таковое. Эти ребята утверждают, что эффект Мпембы является результатом уникальных свойств различных типов связи, удерживающих молекулы воды вместе.

Так что же такого в этих связях? Каждая молекула воды состоит из сравнительно большого атома кислорода, соединенного с двумя маленькими атомами водорода обычной ковалентной связью. Но если поместить рядом несколько молекулы воды, то водородные связи тоже начнут играть важную роль. Это происходит из-за того, что атомы водорода одной молекулы располагаются вблизи кислорода другой молекулы, и взаимодействуют с ним. Водородные связи намного слабее ковалентных (прим. пер.

в 10 раз), но сильнее чем Ван-дер-Ваальсовы силы, которые использует геккон для прилипания к вертикальным стенам.

Химики давно знают о важности этих связей. Например, точка кипения воды намного выше, чем у других жидкостей с похожими молекулами, из-за того, что водородные связи удерживают молекулы вместе.

Но в последние годы химики все более интересуются другими ролями, которые могут играть водородные связи. Например, молекулы воды в тонких капиллярах формируют длинные цепочки, удерживаемые водородными связями. Это очень важно для растений, у которых испарение воды через мембраны листьев эффективно протаскивает цепь молекул воды от корней вверх.

Теперь Зи с соавторами утверждают, что водородные связи так же объясняют эффект Мпембы. Их ключевая идея состоит в том, что водородные связи приводят к более плотному контакту молекул воды, и когда это происходит, естественное отталкивание между молекулами приводит к сжатию ковалентных связей и накоплению энергии в них.

Однако, когда жидкость нагревается, расстояние между молекулами увеличивается, а водородные связи растягиваются. Это также позволяет увеличить длину ковалентных связей и таким образом- отдать обратно энергию, накопленную в них. Важным элементом теории является тот факт, что процесс, при котором ковалентные связи отдают накопленную в них энергию- эквивалентен охлаждению!

В действительности- этот эффект усиливает обычный процесс охлаждения. Таким образом, горячая вода должна охлаждаться быстрее холодной, рассуждают авторы. И это именно то, что мы наблюдаем в эффекте Мпембы.

Почему новое объяснение лучше предыдущих?

Эти ребята рассчитали величину дополнительного охлаждения, и показали, что она в точности соответствует наблюдаемой разнице в экспериментах по измерению разности скоростей охлаждения горячей и холодной воды. Вуаля! Это интересный взгляд на сложные и загадочные свойства воды, которые все еще заставляют химиков не спать по ночам. Несмотря на то, что идея Зи и соавторов убедительна, она может оказаться очередной ошибкой теоретиков, которую другие физики должны будут опровергнуть. Это оттого, что теории не хватает прогностической силы (по крайней мере- в оригинальной статье).

Зи и соавторам необходимо воспользоваться своей теорией для предсказания новых свойств воды, которые не выводятся из обычных рассуждений. Например, если ковалентные связи укорачиваются- это должно приводить к возникновению каких-то новых измеряемых свойств воды, которые не должны были бы проявляться в противном случае. Открытие и измерение таких свойств было бы последней вишенкой на торте, которой не хватает теории в ее текущем виде.

Итак, несмотря на то, что парни, возможно, неплохо объяснили эффект Мпембы, им необходимо чуток поднапрячься, чтобы убедить в этом остальных.

Как бы то ни было, теория у них интересная.

P.S. в 2016 один из соавторов — Чанг Солнце (Chang Q. Sun) совместно с Йи Солнцем (Yi Sun) опубликовали более полное изложение предложенной теории, с рассмотрением поверхностных эффектов, конвекции, диффузии, излучения и других факторов- и вроде бы наблюдают хорошее согласие с экспериментом (Springer).

Литература

Ref: arxiv.org/abs/1310.6514: O:H-O Bond Anomalous Relaxation Resolving Mpemba Paradox

почему «опять объяснили»- а потому что уже было:

Источник