Оценка толщины фронта плавления льда, основанная на исследовании кинетики таяния ледяных шаров в воздухе

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

На основе измерений кинетики накопления талой воды при плавлении ледяных шаров разного размера при комнатной температуре (≈22°C), а также с учетом измерений температуры как на поверхности шаров, так и внутри них, удалось оценить толщину фронта плавления льда. Входящий тепловой поток поглощается льдом внутри слоя, который мы называем фронтом плавления, в виде скрытой теплоты плавления. Для описания кинетики таяния ледяных шаров была построена модель этого процесса. Предполагалось, что подвод тепла происходит через всю поверхность шара, причем его площадь уменьшается в процессе плавления. Измерения температуры на поверхности ледяных шаров и температуры внутри них дали ~0.4 и 0°C соответственно. Учтены поправки, связанные с испарением воды. Подгонка экспериментальных данных с использованием предложенной модели позволила оценить толщину фронта плавления льда при комнатной температуре. Она оказалась равной примерно 3.2–3.6 мм.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

И. С. Степанов

НИЦ “Курчатовский институт” – ККТЭФ

Автор, ответственный за переписку.
Email: stepanov@itep.ru
Россия, 123182, Москва, пл. Академика Курчатова, д. 1

Л. И. Будаева

НИЦ “Курчатовский институт” – ККТЭФ

Email: stepanov@itep.ru
Россия, 123182, Москва, пл. Академика Курчатова, д. 1

С. В. Степанов

НИЦ “Курчатовский институт” – ККТЭФ

Email: stepanov@itep.ru
Россия, 123182, Москва, пл. Академика Курчатова, д. 1

Список литературы

  1. Маэно Н. Наука о льде. Мир, 1988. 231 c.
  2. Уббелоде А. Плавление и кристаллическая структура. Мир, 1969. 420 c.
  3. Mazur P. Principals of Cryobiology in “Life in the Frozen State” Eds. Fuller B.J., Lane N., Benson E.E. CRC Press, Boca Raton, 2004. https://doi.org/10.1201/9780203647073
  4. Тихонов A.H., Самарский А.А. Уравнения математической физики. Изд-во: МГУ, 1999.
  5. Bartels-Rausch Т. Ten things we need to know about ice and snow // Nature. 2013. V. 494. № 7435. P. 27–29. https://doi.org/10.1038/494027a
  6. Dash J.G., Rempel A.W., Wettlaufer J.S. The physics of premelted ice and its geophysical consequences // Rev. Mod. Phys. 2006. V. 78. № 3. P. 695–741. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.78.695
  7. Fitzner М., Sosso G.C., Cox S.J., Michaelides A. Ice is born in low-mobility regions of supercooled liquid water // PNAS. 2019. V. 116. № 6. P. 2009–2014. https://doi.org/10.1073/pnas.181713511
  8. Wei X., Xiao S., Ni J. Studies of ice melting using molecular dynamics // Molecular Simulation. 2010. V. 36. № 11. P. 823–830. https://doi.org/10.1080/08927021003774287
  9. Mukherjee S., Bagchi B. Entropic origin of the attenuated width of the ice-water interface // J. Phys. Chem. C. 2020. V. 124. № 13. 7334–7340. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.0c02030
  10. Mizuno Y., Hanafusa N. Studies of surface properties of ice using nuclear magnetic resonance // J. Phys. Colloque. 1987. V. 48. № C1 P. 511–517. https://doi.org/10.1051/jphyscol:1987170
  11. Kvlividze V.I., Kiselev V.F., Kurzaev A.B., Ushakova L.A. The mobile water phase on ice surfaces // Surface science. 1974. V. 44. № 1. P. 60–68. https://doi.org/10.1016/0039-6028(74)90093-4
  12. Asay D.B., Kim S.H. Evolution of the adsorbed water layer structure on silicon oxide at room temperature // J. Phys. Chem. B. 2005. V. 109. № 35. P. 16760–16763. https://doi.org/10.1021/jp053042o
  13. Залуцкий А.А. Зондовая меccбауэровcкая диагностика свойств квазижидкого слоя воды на алюмосиликатной поверхности природного происхождения // Кристаллография. 2020. Т. 65. № 3. С. 384–389. https://doi.org/10.31857/S0023476120030376
  14. Ниапg С., Wikfeldt К.Т., Tokushima Т., et. al. The inhomogeneous structure of water at ambient conditions // PNAS. 2009. V. 106. № 36. P. 15214–15218. https://doi.org/10.1073/pnas.0904743106
  15. Murata K., Asakawa H., Nagashima K., Furukawa Y., Sazaki G. Thermodynamic origin of surface melting on ice crystals // PNAS. 2016. V. 113. № 44. P. E6741–E6748. https://doi.org/10.1073/pnas.1608888113

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Пример кинетики замораживания одного из пластиковых шаров, заполненных водой, в морозильной камере. Верхняя кривая показывает изменение температуры в лаборатории (после 15 часов измерений система климат-контроля была отключена), фиолетовая кривая – температура внутри шара, а нижняя осциллирующая зависимость – температура в воздушном пространстве морозильной камеры. Вблизи +4°C видна особенность в кинетике охлаждения, связанная с перестройкой структуры воды при прохождении точки максимальной плотности.

Скачать (188KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Этапы эксперимента: замораживание воды в пластиковой форме с термодатчиком в центре в морозильной камере, отделение пластиковой формы, взвешивание ледяного шара, его фиксация над стаканом для сбора талой воды, непрерывное измерение массы талой воды и температуры как внутри, так и снаружи ледяного шара.

Скачать (313KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Схематичное изображение распределения температуры на границе тающего шара (воздух–вода–лед).

Скачать (151KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Кинетики накопления талой воды в ходе таяния ледяных шаров разной начальной массы. Сплошные кривые показывают фитирование экспериментальных данных с использованием выражений (4). Также производился небольшой сдвиг по времени, t → t–t1, учитывающий, что в первые 10–20 мин шары прогревались от температуры морозильной камеры до температуры плавления. При этом талая вода не образовывалась. Температуры внутри ледяных шаров (примерно в их центрах) измерялись термодатчиком DS18B20, а на поверхности – как NTC-термисторами, так и хромель-алюмелевыми термопарами. Видно, что в процессе плавления температура внутри шаров равнялась 0°C. Последующий рост температуры связан с выходом термодатчика из объема шара на его поверхность и контактом датчика с теплым воздухом.

Скачать (269KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024