Добрий день. Мене звати Сергій. Я є власником льодового комплексу в м.Вінниця (Україна). Мене цікавить чи можливо підвищити стійкість льоду при плюсовій температурі без додаткових витрат електроенергії. Дуже дорого утримувати лід влітку. Я читав статті з приводу метану в воді, молекул білка і з приводу важкої води D2O. Не знаю як це застосувати на практиці.
У природі існує 14 модифікацій льоду. Правда, все, крім звичного нам льоду, кристаллизующего в гексагональної сингонії і позначають як лід I. утворюються в умовах екзотичних - при дуже низьких температурах (близько -110 150 0С) і високому тиску, коли кути водневих зв'язків в молекулі води змінюються і утворюються системи, відмінні від гексагональної. Такі умови нагадують космічні і не зустрічаються на Землі. Наприклад, при температурі нижче -110 ° С водяні пари випадають на металевій пластині у вигляді октаедрів і кубиків розміром в декілька нанометрів - це так званий кубічний лід. Якщо температура трохи вище -110 ° С, а концентрація пара дуже мала, на пластині формується шар виключно щільного аморфного льоду.
Природний лід I зазвичай значно чистіше, ніж вода, тому що розчинність речовин (крім NH4F) у льоді вкрай низька. А ось лід II навпаки стабілізується тільки в присутності слідів газів; в чистому вигляді його ніхто не отримував через його нестабільності. Якщо, наприклад, тиск створюють за допомогою гелію, він обов'язково розчиниться в замерзає воді. Є відомості, що аргон - інший інертний газ, придатний для використання в цій установці, - теж здатний давати з льодом тверді розчини. Однак вивченням таких клатратних з'єднань льоду з благородними газами спеціально ніхто не займався.
Розташований лід II на діаграмі стану між льодом III і льодом IX. Вони розрізняються між собою упорядкуванням протонів, кисневий же каркас у них однаковий: спіралі з одних молекул води, як ніби нанизані на осі з інших молекул води. Коли ж ймовірності протона зайняти те чи інше місце рівні, лід буде неврегульованим.
Діаграма стану кристалічних льодів
Однак, все експерименти з екзотичними льодами, як правило, пов'язані з їх охолодженням до температур сухого льоду, рідкого азоту, а то і гелію, а також із стисненням до тиску в тисячі атмосфер. Загальне уявлення про результати можна отримати, дивлячись на малюнок, де показана діаграма стану кристалічних льодів.
Багато льоди високого тиску можна зберегти і при нормальному тиску. Для цього їх охолоджують в рідкому азоті, а потім тиск скидають. Саме на таких загартованих льодах і були проведені основні дослідження. Вони показали, що їхня будова досить різноманітно.
Структуру першого льоду високого тиску, льоду II, визначили на зорі досліджень в цій області, коли з'явилися перші потужні прилади для рентгеноструктурного в 1964 році. Як виявилося, цей лід складається з порожнистих колонок, утворених шестізвеннимі гофрованими циклами. Кожна колонка оточена шістьма такими ж колонками, зсунутими один щодо одного на третину періоду. Структуру цього льоду можна отримати, якщо частина сот льоду Ih розвалити і перетворити їх в ажурні каркаси, що зв'язують інші стільники. При цьому розмір одержані шестигранних каналів сильно збільшується - саме у льоду II найширші канали, їх діаметр становить 3. У таких каналах можуть розташовуватися атоми гелію, неону і навіть молекули водню.
Отримати гідрати благородного газу, наприклад, гелію на основі льоду II можна двома способами. По-перше, прикласти (в атмосфері гелію) до води тиск в 0,28-0,5 ГПа і охолодити її до 250-270К. Хоча в цій області діаграми стабільні льоди III і V, вийде гідрат на основі льоду II. Що цікаво, протони в ньому вже впорядковані. (Зазвичай вони упорядковуються тільки при сильному охолодженні вже отриманого льоду.)
По-друге, можна розчинити гелій в льоду Ih при низькій температурі і тиску 0,3 ГПа. Поява гелію призводить до розширення кристалічної решітки, і потім її нагрівання до 180К допомагає пройти структурному перетворенню.
Відносна легкість отримання твердих розчинів в льоду II, а також його високий потенціал як сховище газоподібного водню (одна молекула газу на шість молекул води) привертають до нього увагу вчених-практиків: зараз активно обговорюється можливість його застосування у водневій енергетиці.
Щодо стійкості льоду при плюсових температурах, на жаль, процес танення льоду, тобто процес фазового переходу льоду з твердого стану в рідке, що дозволяє зменшити його міцності, товщини і горизонтальних розмірів, аж до повного зникнення льоду, можна зменшити одними фізико-хімічними параметрами: обессоливанием води, використанням дистиляту і ін.
На жаль, процес танення льоду, тобто процес фазового переходу льоду з твердого стану в рідке, що дозволяє зменшити його міцності, товщини і горизонтальних розмірів, аж до повного зникнення льоду, можна зменшити одними фізико-хімічними параметрами: обессоливанием води, використанням дистиляту і ін.
Стійкість льоду - це багатофакторний феномен. залежить від багатьох факторів, які потрібно враховувати при розрахунках:
ТВЕРДІСТЬ ЛЬОДУ. Здатність льоду чинити опір проникненню іншого тіла, яке не отримує залишкових деформацій. Визначається як відношення діючого навантаження Р до поверхні утворилася вм'ятини S. Твердість Н = P / S є середнім значенням тиску під вм'ятині. Залежно від температури льоду і часу прикладання навантаження (короткому часі відповідає динамічна твердість, тривалого - статична твердість) значення Н може становити більше, ніж на порядок.
ТЕКСТУРА ЛЬОДУ. Особливість будови льоду, обумовлена просторовими настроями повітряних, мінеральних і органічних включень.
З урахуванням повітряних включень лід підрозділяється на монолітний (позбавлений видимих включень) і пористий (з наявністю включень, які можуть мати рівномірний, шаруваті і вертикально-волокниста розподіл).
За розміром включень лід поділяється на: мелкопузирістий (включення менше 0,2 мм), среднепузирістий (включення від 0,2 до 0,5 мм), крупнопузирістий (включення від 0,5 до 1,0 мм), крупно-порожнинної (включення більше 1,0 мм).
Форма включень буває овальна, трубчаста, гілляста і трансформуються. За походженням включення підрозділяються на первинні (аутогенні), вторинні (ксеногенні) і з порушеною текстурою (катакластіческімі).
ТЕМПЕРАТУРА ПЛАВЛЕННЯ ЛЬОДУ. Температура, при якій відбувається плавлення льоду при постійному зовнішньому тиску. Плавлення морського льоду відбувається не при певній температурі, як у прісного льоду, а безперервно, починаючи з моменту, коли температура нижче 0 ° С до температури замерзання морської води даної солоності.
Мал. зліва - Хід температури в льоду в часі при підводі до нього теплот и
1 - 2 - нагрівання льоду; 2 - 3 - плавлення льоду: 3 - 4 нагрівання води; tпл-температура плавлення льоду.
Плавлення льоду при атмосферному тиску відбувається при температурі 0,01 ° С (в практичних розрахунках приймають 0 ° С). Кількість теплоти, яку необхідно повідомити 1 кг льоду, що знаходиться при температурі плавлення, для перетворення його в воду, називають питомою теплотою плавлення Lпл. Питома теплота плавлення прісноводного льоду при нормальних умовах дорівнює питомій теплоті кристалізації води 33,3 х 10 4 Дж / кг.
Температуропроводностью ЛЬОДУ (КОЕФІЦІЄНТ температуропроводностью). Параметр, що характеризує швидкість зміни температури льоду в нестаціонарних теплових процесах. Коефіцієнт температуропровідності льоду
де Cp - питома теплоємність льоду при постійному тиску, ρ - щільність льоду, λ- коефіцієнт теплопровідності, чисельно дорівнює підвищенню температури одиниці об'єму льоду в результаті теплового потоку, відповідного коефіцієнту теплопровідності Cp.
ТЕНЗОР ДЕФОРМАЦІЇ ЛЬОДУ. Сукупність деформацій нескінченно малого паралелепіпеда льоду, виділеного близько цієї точки. Являє собою симетричний тензор 2-го рангу
Деформований стан елемента льоду вважається відомим, якщо відомі компоненти тензора деформації льоду.
Теоретична ПРОЧНОСТЬ ЛЬОДУ. Властивість льоду, яке характеризується розрахунковим значенням напруги, при якому міг би статися одночасний розрив всіх міжатомних зв'язків на поверхні розриву. Як і у інших твердих тіл, оцінюється значенням 0,1 Е, де Е - модуль Юнга льоду.
Зазвичай фактичні значення міцності на кілька порядків нижче теоретичних. Причина низької міцності льоду - нерівномірний розподіл внутрішніх напружень; міжатомні зв'язку навантажені неоднаково, а в атомній структурі тел є слабкі місця.
При додаванні однойменних зовнішніх і внутрішніх напружень виникають локальні перенапруження, які можуть досягти значень теоретичної міцності, приводячи до розриву міжатомних зв'язків. У слабких місцях структури під дією великих локальних напружень розрив міжатомних зв'язків відбувається дуже легко-так зароджуються розриви суцільності тіла. Зростання і злиття розривів суцільності утворює макроскопічну тріщину, розвиток якої призводить до руйнування тіла. Теоретичну міцність також називають ідеальною міцністю, щільністю сил когезії (т. Е. Сил молекулярного взаємодії частин одного і того ж тіла) або просто когезией, яка може бути охарактеризована теплотою (роботою) випаровування.
Теплоємність ЛЬОДУ. Одна з основних термодинамічних характеристик льоду, що відображає ступінь його нагрівання в результаті кількості теплоти, отриманої льодом. У практичних розрахунках зазвичай використовують питому теплоємність льоду, розуміючи під цим кількість теплоти, яку необхідно повідомити одиниці маси льоду, щоб підвищити його температуру на 1 К. Теплоємність прісноводного льоду зменшується з пониженням температури (від 2,12 кДж / (кг * К) при 0 ° С), прагнучи до нуля при Про К.
ТЕПЛОПРОВІДНІСТЬ ЛЬОДУ (КОЕФІЦІЄНТ ТЕПЛОПРОВІДНОСТІ). Величина, що характеризує процес перенесення теплової енергії в нерівномірно нагрітому льоду, що призводить до вирівнювання температури. Теплопровідність є коефіцієнтом пропорційності між щільністю теплового потоку q і градієнтом температури Т, що входять в відоме рівняння
Теплопровідність льоду чисельно дорівнює щільності теплового потоку при різниці температури 1К на одиницю відстані. Зі зниженням температури теплопровідність зростає. Згідно з теоретичними розрахунками і численним експериментальним даними, при температурі
0 ° С теплопровідність прісноводного льоду дорівнює
ТЕРМІЧНЕ РУЙНУВАННЯ. Руйнування крижаного покриву внаслідок його танення при підвищенні температури повітря. Термічне руйнування зменшує міцність льоду, змінює його структуру і текстуру, скорочує горизонтальні розміри і ін.
Зовнішніми проявами термічного руйнування крижаного покриву є злом і дроблення льодів, що фіксуються наступними термінами їх появи: дата початку весняного злому (день, коли стався відкол частини припая, день появи перших ознак танення і зниження його міцності); дата першої весняної зрушення припая (день, коли видима площа припая (за винятком його підошви), розчленованого великою кількістю тріщин, зазнала горизонтальний зсув, зберігши при цьому взаємне положення блоків льоду; дата остаточного руйнування припая (день, коли стався розпад припая на блоки льоду , які змістилися щодо один одного, знизивши тим самим згуртованість льоду).
Тріщини У крижаному покриві. Порушення цілісності крижаного покриву, що представляють собою зону, в якій припиняється взаємодія між іонами і атомами кристалічної решітки на різних її сторонах. Утворюються в результаті розриву або розлому, як результат перевищення міцності льоду на розтяг, стиск, вигин і зрушення. Тріщини в крижаному покриві поділяються за генетичним і морфологічними ознаками.
За морфологічними ознаками тріщини поділяються на такі види.
За формою в плані їх простягання - прямі (прямолінійні, клиновидні, щілиновидні), вигнуті (дугоподібні, кулісообразно, кругові), зламані (зигзагоподібні, синусоїдного, циклоїдні).
За формою розрізу країв тріщин-гладкі, нерівні, зазубрені.
По довжині-внутрішньоблокові (довжиною до 5 км), міжблокове (довжиною до 100 км), магістральні (довжиною в кілька сотень кілометрів).
За величиною розкриття-вузькі (шириною до 5 м), середні (шириною від 5 до 15 м), широкі (шириною до 50 м).
За глибиною проникнення - зяючі, не розкрилися.
Теплофізичних (ТЕРМІЧНІ) властивості ЛЬОДУ. Властивості льоду, що визначають умови теплопередачі і формування температури льоду показані в таблиці 1.
Таблиця 1
Теплофізичні властивості прісноводного льоду
Питома теплота сублімації (сублімації) льоду дорівнює сумі питомої теплоти плавлення льоду і питомої теплоти випаровування води; при 0 ° С вона дорівнює Lвоз = 33,3 х 10 4+ 250 х 10 4 = 283,3 × 10 4 Дж / кг.
Коефіцієнт теплопровідності льоду λ приймають в середньому рівним 2,24Вт / (м · ° С). З підвищенням температури λ зменшується незначно і лінійно.
Питому теплоємність льоду обчислюють за формулою Б. П. Вейнберга:
c = 2,12 (1 + 0,0037t).
З огляду на, що при t = 0 ° С щільність льоду ρ = 917 кг / м 3. а питома теплоємність його c = 2,12 кДж / (кг · ° С), отримуємо коефіцієнт температуропровідності льоду при нормальних умовах a = λ / (cρ ) = 2,24 / (2,12 · 917) = 4,1 · 10 -3 м 2 / год. Зі зниженням температури коефіцієнт a істотно підвищується, так як при цьому не тільки збільшується λ, але і зменшується c:
a = 4,1 (1 - 0,0063t) 10 -3
Питома теплота плавлення (кристалізації) морського льоду в сильному ступені залежить від його солоності.
МОДУЛЬ ПРУЖНОСТІ ЛЬОДУ E при стисненні, розтягненні і вигині залежить від температури і структури льоду і змінюється в дуже широких межах: від 0,12 х 10 10 до 1 × 10 10 Па. При стисненні його приймають в середньому дорівнює 0,9 × 10 10 Па. Модуль пружності лінійно зменшується з підвищенням температури.
МОДУЛЬ ЗСУВУ ЛЬОДУ G, так само як і модуль пружності E, залежить від температури і структури льоду, але змінюється він не в настільки великому діапазоні. В середньому його можна прийняти рівним 3 х 10 9 Па.
Значення межі міцності льоду, так зване тимчасове опір льоду, в різних умовах його напруженого стану та при температурі, близькій до 0 ° С, наведені в таблиці. Зі зниженням температури міцність льоду збільшується, а з підвищенням солоності використовуваної води - зменшується.
Таблиця 2
Значення межі міцності льоду, Па
Таким чином, в якості рекомендації по фізико-хімічним параметрам можна лише дати пораду використовувати для заливки катка обессоленную або дистильовану воду або ж використовувати більш ефективні охолоджувальні системи, які, наприклад, використовуються у нас в Москві для створення влітку катка на Червоній площі.
Щодо ж технології створення самого льодового масиву, виділяються кілька основних етапів його створення:
1. Визначення критеріїв, які забезпечують отримання льоду з певним комплексом фізико-механічних властивостей для конкретного виду спорту.
2. Розробка фізичної моделі льодового покриву для конкретного виду спорту.
3. Розробка прецизійних методів впливу на верхній оновлюваний поверхневий шар льоду.
4. Розробка методів структурування льодового масиву з заданими фізико-механічними свойствамі.Ето, перш за все:
визначення вимог до складу води, ступеня її очищення, відсутність домішок, що сприяють зниженню температури замерзання;
обгрунтування способів нанесення і оптимальної товщини кожного розливається шару льоду;
встановлення послідовність зміни температури кожного шару, що наноситься;
визначення хімічного складу кожного шару;
облік параметрів повітряного середовища.
Всі ці фактори складають технологічну схему заливки льодового масиву для конкретного виду спорту: гранично жорсткого для ковзанярів, більш м'якого, режелірующего і пружного для фігуристів, міцного і тріщиностійкості для хокеїстів і т.д. У технологічну схему входять і технічні операції щодо нівелювання розвитку магістральних тріщин і розломів так як мікротріщини неминуче виникають в силу різниці об'ємних коефіцієнтів розширення.