Свойства льда

ЛЕД

Лед представляет собой прочный, дешевый и весьма распространенный в природе материал.

Предки современных эскимосов, населявшие арктическое побережье Северной Америки еще во второй половине первого тысячелетия нашей эры научились строить хижины из льда. Для постройки хижины изготавливалось около 60 снежных кирпичей размером 60´60´20 см³, при кладке кирпичи скреплялись водой. При горении жировых светильников температура в хижине поддерживалась около +2°C.

В Якутии до сих пор иногда создают «ледяные хижины». Для этого деревянные жилые строения щедро обливают на морозе водой. Образующаяся после замерзания воды довольно толстая корка льда способствует лучшему сохранению тепла в помещениях.

Самый большой ледяной дворец был построен в 1740 году по приказу русской императрицы Анны Иоановны, которая ради забавы решила отпраздновать женитьбу шута на одной из придворных приживалок. Для этой цели в Петербурге на Неве был выстроен ледяной дом с площадью основания около 80 м² и высотой до 6 м. Стены и пол дома были выложены ледяными плитами и скреплены водой. Дом получился добротным и красивым, соответствующим церемонии, для которой был предназначен. Весной он растаял.

Как строительный материал лед использовался еще руководителями крестьянских восстаний Болотниковым и Пугачевым в военных целях. Для этого они обливали на морозе стога сена водой. Через некоторое время вода замерзала и превращала каждый стог в солидную преграду.

Немалую роль в истории нашей страны сыграли ледяные переправы. Еще во время войны со шведами по льду Финского и Ботнического заливов переправлялись русские войска. В гражданскую войну ледяная переправа действовала на Азовском море (между Керчью и Таманским полуостровом). Во время Великой Отечественной войны по льду Ладожского озера к осажденному Ленинграду проходила автомобильная дорога протяженностью в 27 км известная в истории как «Дорога жизни». Чтобы ледяной покров под влиянием проходившего по нему потока автомашин не пришел в резонансные колебания и не разрушился, принимались специальные меры. Для этого груз автомашин подбирался таким образом, чтобы частота свободных колебаний ледяного покрова отличалась от частоты, с которой воздействовали на ледяной покров подходившие автомашины.

Многообразно применение льда в хозяйстве. Например, зимой на севере Сибири с помощью льда укрепляют полотно зимних автотранспортных магистралей («зимников»). В этих условиях приходится считаться со скольжением по льду.

Строители Заполярья иногда используют в качестве строительного материала ледобетон. Так называют лед с включенной в него галькой. Ледобетон настолько прочен, что при работе с ним нередко ломаются даже стальные зубья экскаваторов. Другим вариантом ледобетона является лед с добавлением к нему древесной пульпы («ледопласт»). Материал этот выдерживает давление до 50 кг/см² и может быть использован в качестве заменителя цемента при постройке плотин на реках Заполярья.

Армирование льда волокнистым материалом повышает предел его текучести и увеличивает прочность. При использовании хлопковых и древесных волокон прочность увеличивается в 2–3 раза, стекловолокно дает увеличение прочности до 8 раз. Древесные опилки и размельченный торф, смоченные водой и нанесенные на поверхность льда, хорошо предохраняют от таяния складские помещения из льда и ледяные причалы. Промораживание водонасыщенных плывунных грунтов укрепляет стенки котлованов на стройках и избавляет от необходимости производить откачку воды, что приводит к удешевлению строительства.

Ледники являются большими хранилищами влаги, в них сосредоточено до 2,1% мировых запасов воды. Если бы все ледники растаяли, то уровень воды на Земле поднялся бы на 64 м, и около 1/8 поверхности суши было бы затоплено водой. В эпоху оледенения Европы, Канады и Сибири толщина ледяного покрова в горных местностях достигала 2 км. В настоящее время вследствие потепления климата Земли постепенно отступают границы ледников. Это обуславливает медленное повышение уровня воды в океанах.

При замерзании чистая вода расширяется почти на 10%, а у морского льда изменение объема происходит на меньшую величину. Поскольку вода при замерзании расширяется, увеличение внешнего давления понижает температуру ее замерзания; температура плавления льда, наоборот, повышается с давлением. В лабораторных условиях при давлении более 40 тыс. атмосфер можно получить лед, который будет плавиться при температуре 175°C. Теплоемкость и теплота плавления льда уменьшаются с температурой, теплопроводность же почти не зависит от температуры. Когда толщина льда на поверхности водоема достигает 15 см, он становится надежным теплоизолятором между водой и воздухом.

Морская вода замерзает при температуре – 1,91°C. При дальнейшем понижении температуры до – 8,2°C начинается осаждение сернокислого натрия, и только при температуре – 23°C из раствора выпадает хлористый натрий. Так как часть рассола при кристаллизации уходит изо льда, соленость его меньше солености морской воды. Многолетний морской лед настолько опресняется, что из него можно получать питьевую воду. Температура максимальной плотности морской воды ниже температуры замерзания. Это является причиной довольно интенсивной конвекции, охватывающей значительную толщу морской воды и затрудняющей замерзание. Теплоемкость морской воды стоит на третьем месте после теплоемкости водорода и жидкого аммиака.

Иногда вода замерзает при положительной температуре. Такое явление наблюдается в трубопроводах и почвенных капиллярах. В трубопроводах вода может замерзнуть при температуре +20°C. Объясняется это присутствием в воде метана. Поскольку молекулы метана занимают примерно в 2 раза больший объем, чем молекулы воды, они «расталкивают» молекулы воды, увеличивают расстояние между ними, что приводит к понижению внутреннего давления и повышению температуры замерзания. В почвенной влаге аналогичную роль выполняют молекулы белка. За счет влияния белковых молекул температура замерзания воды в почвенных капиллярах может возрасти до +4,4°C.

В воздухе содержится водяной пар, поэтому в нем образуются кристаллы льда – снежинки, которые, как правило, бывают в виде шести- и двенадцатилучевых звездочек, шестиугольных пластинок, шестигранных призм. При понижении температуры воздуха уменьшаются размеры образующихся кристаллов и возрастает разнообразие их форм.

На окнах тоже образуются кристаллы льда, совокупности которых носят название ледяных узоров, представляющих собой редкое по красоте зрелище. Среди многих видов морозных узоров чаще других встречаются дендриты (древовидные образования) и трихиты (волокнистые формы).

Характер кристаллизации воды на стекле во многом зависит от условий охлаждения. При охлаждении от 0 до –6°C и небольшой исходной упругости водяного пара на поверхности оконного стекла отлагается однородный слой непрозрачного, рыхлого льда. Для начального образования тонкого слоя такого льда в качестве затравок кристаллизации известную роль могут играть дефекты структуры поверхности, царапины. Однако в ходе дальнейшего развития процесса эти влияния полностью перекрываются общей картиной осаждения льда по всей охлаждающейся поверхности.

Если охлаждение поверхности оконного стекла начинается при положительной температуре и более высокой относительной влажности, то на охлаждающейся поверхности сначала отлагается пленка воды, которая уже при отрицательных температурах закристаллизовывается в виде дендритов. Чаще дендритная кристаллизация начинается с нижней части оконного стекла, где вследствие действия силы тяжести накапливается большее количество воды. Размеры дендритных кристаллов зависят от имеющегося для их образования материала. В нижней части окна, где пленка воды толще, дендриты обычно имеют большие размеры, по мере перехода к верхней части окна размеры дендритов уменьшаются. В случае равномерной увлажненности стекла размеры дендритов примерно одинаковы. Дальнейшее охлаждение способствует отложению между дендритами, а затем и на дендритах тонких слоев пушистого льда. Быстрые и значительные по величине переохлаждения дают мелкомасштабную дендритную кристаллизацию. При недостатке влаги на стекле нарушается сплошной характер кристаллизации: дендриты растут островками, их формы менее резко выражены, а размеры уменьшены в сравнении с нормальными условиями.

Трихиты образуются у острых краев царапин на поверхности охлаждающегося твердого тела. При этом вначале кристаллы образуют узкие параллельные полоски инея, вырождающиеся при дальнейшем охлаждении в достаточно плотные ледяные волокна, исходящие от основного стебля. В большинстве случаев как основное волокно, так и прилегающие к нему тонкие полоски инея слегка изогнуты.

В метеорологии инеем называется отложение льда из влажного воздуха на достаточно охлажденную горизонтальную поверхность. Отложение рыхлого льда на стеклах окон имеет черты сходства с инеем, несмотря на вертикальное расположение охлаждающей поверхности.

Известно, что крепкая серная кислота хорошо поглощает воду. Если между рамами окна поставить стаканчик с такой кислотой, основное количество водяного пара из пространства между стеклами поглотится ею, и отложения льда на окне при не очень сильных морозах происходить не будет. Тщательная теплоизоляция внешнего оконного стекла в местах его соприкосновения с рамой не допускает сильного охлаждения прилежащего изнутри к стеклу слоя воздуха, что также не благоприятствует осаждению льда на внутренней стороне стекла. С помощью этих мер затрудняется образование морозных узоров на окнах и обеспечивается необходимая прозрачность оконных стекол в зимнее время.

Дата добавления: 2014-11-29