Gheaţă

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Notă despre dezambiguizare.svg Dezambiguizare - Dacă sunteți în căutarea altor semnificații, consultați Gheață (dezambiguizare) sau Gheață (dezambiguizare) .
Bloc de gheață pe plaja de lângă Jökulsárlón din Islanda

Gheața este denumirea comună utilizată pentru a desemna apa în stare solidă (cuvântul „ cristal ” în sine vine din cuvântul grecesc care înseamnă „gheață”). Este un solid cristalin transparent: la presiunea atmosferică standard (101 325 Pa ) tranziția de fază are loc atunci când apa lichidă este răcită sub 0 ° C (273,15 K , 32 ° F ).

Descriere

Diagrama de stare a apei. Apa îngheață la 0 ° C dacă este la presiune atmosferică , dar la presiuni mai mari îngheață la temperaturi mai scăzute.

Solidificare

Apa poate rămâne în stare lichidă chiar sub 0 ° C datorită fenomenului de supraîncălzire (până la -42 ° C) sau cu presiuni mai mari decât cea normală (până la -30 ° C); invers, gheața se poate forma și la temperaturi peste 0 ° C cu presiuni mai mici decât în ​​mod normal. Există 15 faze solide diferite ale apei, dar cea mai comună este I h , care este singura prezentă în biosferă , în afară de un mic procent de I c găsit în atmosfera superioară. Diferitele faze de gheață formate la presiuni diferite de cea normală au o structură cristalină diferită de cea a gheții obișnuite.

Gheața, apa și vaporii de apă pot coexista în punctul triplu , care pentru acest sistem este plasat la o temperatură de 273,16 K (0,01 ° C) și la o presiune de 611,73 Pa .

Particularități

O caracteristică neobișnuită a gheții este că solidul are o densitate cu aproximativ 8% mai mică decât cea a apei lichide. La 0 ° C și presiune atmosferică, gheața are o densitate de 0,917 g / cm³, apă 0,9998 g / cm³. Apa lichidă atinge densitatea maximă, exact 1 g / cm³, la 4 ° C și pornind de la această valoare devine mai puțin densă în timp ce temperatura scade la 0 ° C când moleculele sale încep să se aranjeze în geometriile hexagonale care vor da naștere la formarea gheții. Acest lucru se datorează legăturilor care se formează între moleculele de apă prin intermediul atomilor de hidrogen , care aliniază moleculele mai puțin eficient, din punct de vedere al volumului, atunci când apa îngheață.

Gheață extrasă dintr-un congelator la aproximativ -10 ° C.

Una dintre consecințe este că gheața plutește pe apă, un factor important pentru climatul Pământului și esențial pentru viața acvatică (și pentru viața în general), deoarece, prin blocarea fenomenelor de convecție , împiedică apa subiacentă să răcească și să înghețe totul.

Alunecos

Un corp care se mișcă pe gheață se mișcă „alunecând”, adică fără a-și reduce semnificativ viteza . Acest lucru se datorează faptului că un corp care se sprijină pe gheață este supus forței de greutate care îl împinge în jos; această forță se manifestă ca o presiune care acționează pe suprafața de contact dintre corpul în cauză și gheața subiacentă și provoacă o topire parțială a gheții, cu formarea unui strat subțire de apă care aderă la corp și îi permite să alunecare.

Datorită formării stratului subțire de apă menționat anterior, cele două suprafețe solide (corpul glisant și suprafața înghețată) nu sunt direct în contact, astfel încât mișcarea este încetinită de fricțiunea vâscoasă (care are loc între apă și suprafețele solide ), care este semnificativ mai mic decât fricțiunea de alunecare care ar avea loc dacă suprafețele solide ar fi în contact direct.

Polei

Mai mult, presiunea este dată de raportul dintre forța aplicată și suprafața de contact (p = F / A), deci scăderea suprafeței de contact crește presiunea și, în consecință, gheața subiacentă se topește mai ușor, astfel încât frecarea este mai mică . Din acest motiv, lamele patinelor trebuie să fie foarte subțiri.

Fricțiunea generează, de asemenea, căldură , care contribuie parțial la formarea stratului de apă.

În cele din urmă, pentru a aluneca pe gheață, suprafața acesteia trebuie să fie suficient de netedă; această condiție este îndeplinită, de exemplu, dacă gheața se formează prin solidificarea lentă a unui corp de apă.

Totuși, teoria anterioară nu explică de ce chiar și obiectele ușoare mici pot aluneca pe gheață. Din acest motiv, această teorie a fost înlocuită de o altă teorie conform căreia principalul motiv pentru reducerea frecării este legat de faptul că moleculele apropiate de suprafață au o mobilitate mai mare decât moleculele din vrac (partea din solid suficient de departe de regiunile solidului în sine în care au loc schimburile de materie, impuls și căldură, pentru a nu percepe efectele), astfel încât acestea să permită alunecarea.

Tipuri de gheață

Gheața și zăpada cu care avem de-a face în mod normal au o structură cristalină hexagonală numită gheață I h . Doar puțin mai puțin stabilă (metastabilă) decât forma hexagonală este cea cubică ( gheața I c ). Răcind în continuare gheața I h , se obține o configurație diferită în care sunt dispuși protonii , faza de gheață XI .

Prin exploatarea răcirii și a presiunii, pot fi produse tipuri suplimentare de gheață, în funcție de diagrama fazei de gheață. Până în prezent sunt cunoscute cincisprezece faze diferite care, pe lângă cele deja menționate, includ II , III , V , VI , VII , VIII , IX și X. Cu atenție, toate aceste tipuri (cu excepția fazei X) pot fi readuse la temperatura camerei. Diferitele tipuri diferă prin structura lor cristalină, ordonare și densitate.

Cristale de gheață de Wilson Bentley , 1902

Două faze ale gheții sunt metastabile: IV și XII . Ice XII a fost descoperit în 1996 . În 2006 , au fost descoperite fazele XIII și XIV . [1] Gheața XI, XIII și XIV sunt forme ordonate de gheață I h , V și respectiv XII. În 2009, gheața XV a fost găsită la presiuni extrem de ridicate la o temperatură de -143 ° C. [2] Se crede că la presiuni și mai mari gheața își asumă o structură metalică; presiunea necesară este estimată la aproximativ 1,55 TPa [3] sau 5,62 TPa. [4]

În plus față de faza cristalină, apa solidificată poate exista în stări amorfe : apă solidă amorfă, gheață amorfă cu densitate redusă, gheață amorfă cu densitate mare, gheață amorfă cu densitate mare și apă sticloasă răcită.

Gerul este un fel de gheață care se formează prin înghețare (care este tocmai termenul tehnic pentru trecerea directă de la starea gazoasă la starea solidă) a aburului prezent în aer în contact cu obiecte reci. Acesta conține o porțiune mare de aer prins, ceea ce îl face să pară mai degrabă alb decât transparent și îi conferă o densitate de aproximativ un sfert din cea a gheții pure. Rima se formează prin înghețarea picăturilor de apă conținute în ceață pe suprafețe, când temperatura este sub 0 ° C.

Gheața poate forma, de asemenea, gheață , similară cu aspectul stalactitelor , pe măsură ce apa se scurge și se îngheță.

Clatratii hidrați sunt forme de gheață care conțin molecule de gaz prinse în structura sa cristalină. Gheața pentru clătite este o formațiune de gheață creată în general în zone cu condiții mai puțin calme.

Unele amestecuri de gheață și rumeguș din lemn, numite „ pirete ”, prezintă o rezistență mecanică mai mare decât gheața obișnuită.

Unele alte substanțe (în special forme solide de substanțe care se găsesc de obicei sub formă de fluide) sunt, de asemenea, numite „gheață”: gheață uscată , de exemplu, este termenul denumit în mod obișnuit dioxid de carbon solid.

Diagrama fazei apei: sunt prezentate câmpurile de existență ale diferitelor tipuri de gheață.
Fază Caracteristici
Gheață amorfă Gheața amorfă este un tip de gheață fără structură cristalină. Există în trei forme: gheață amorfă de densitate mică (LDA), formată la presiunea atmosferică sau sub aceasta, densitate ridicată (HDA) și densitate ultra ridicată (VHDA), care se formează la presiuni mai mari. LDA se formează prin răcirea extrem de rapidă a apei lichide („apă sticloasă răcită”, HGW), prin depunerea vaporilor de apă pe substraturi foarte reci („apă solidă amorfă”, ASW) sau prin încălzirea formelor de gheață cu densitate mare la presiunea ambiantă (LDA ).
Ice I h Gheață cristalină hexagonală normală. Practic toată gheața din biosferă este gheață I h , cu singura excepție a unei cantități mici de gheață I c .
Gheață I c O variantă de gheață cristalină cubică metastabilă . Atomii de oxigen sunt aranjați într-o structură asemănătoare diamantului . Este produs la temperaturi cuprinse între 130 și 220 K (-140 și -50 ° C) și poate exista până la 240 K, [5] [6] atunci când se transformă în gheață I h . Poate fi prezent ocazional în atmosfera superioară. [7]
Gheață II O formă cristalină romboedrică cu o structură foarte ordonată. Formată din gheață I h prin comprimarea la o temperatură de 190-210 K. Când este încălzită, suferă transformare în gheață III.
Gheață III O gheață cristalină tetragonală , formată prin răcirea apei până la 250 K la 300 MPa. Cea mai puțin densă dintre fazele de presiune ridicată. Mai dens decât apa.
Ice IV O fază romboedrică metastabilă. Poate fi format prin încălzirea lentă a gheții amorfe de înaltă densitate la o presiune de 810 MPa. Nu se formează ușor fără un agent de nuclere. [8]
Ice V O fază cristalină monoclinică . Formată prin răcirea apei la 253 K la 500 MPa. Cea mai complexă structură din toate fazele. [9]
Gheață VI O fază cristalină tetragonală. Formată prin răcirea apei la 270 K la 1,1 GPa. Prezintă relaxare Debye . [10]
Gheață VII O fază cubică. Pozițiile atomilor de hidrogen sunt dezordonate. Prezintă relaxare Debye . Legăturile de hidrogen formează două rețele interpenetrante.
Gheața VIII O versiune mai ordonată a gheaței VII, în care atomii de hidrogen își asumă poziții fixe. Format din gheață VII, răcind sub 5 ° C (278 K).
Ice IX O fază tetragonală. S-a format treptat din gheață III prin răcirea ei de la 208 K la 165 K, stabil sub 140 K și la presiuni cuprinse între 200 MPa și 400 MPa. Are o densitate de 1,16 g / cm³, puțin mai mare decât gheața obișnuită și apa.
Ice X Gheață simetrică cu protoni ordonați. Se formează la aproximativ 70 GPa. [11]
Ice XI Se formează o gheață hexagonală ortorombică , în echilibru cu temperatură scăzută. Este feroelectric . Gheața XI este considerată a fi cea mai stabilă configurație a gheții I h . Procesul natural de transformare este foarte lent, iar gheața XI a fost găsită în gheața din Antarctica, veche de 100 până la 10.000 de ani. Studiul respectiv a indicat că temperatura sub care se formează gheața XI este de -36 ° C (240 K). [12]
Gheața XII O fază cristalină tetragonală, metastabilă, densă. Se observă în spațiul de fază al gheții V și gheață VI. Poate fi preparat încălzind gheață amorfă cu densitate ridicată de 77K la aproximativ 183K la 810 MPa. Are o densitate de 1,3 g / cm 3 la 127 K (adică, de aproximativ 1,3 ori mai densă decât apa).
Gheața XIII O fază cristalină monoclinică. Formată prin răcirea apei sub 130 K până la 500 MPa. Forma cu protoni ordonați de gheață V. [13]
Ice XIV O fază cristalină ortorombică. Dimensiune sub 118K la 1,2 GPa. Forma cu protonii ordonați ai gheții XII. [13]
Ice XV Forma de proton ordonată a gheții VI formată prin răcirea apei în jur de 80-108 K la 1,1 GPa.
Gheață XVI Forma cristalină a apei mai puțin dense, echivalentă topologic cu structura goală a clatraților hidrați sII.
Ice XVII [14] Gheață poroasă capabilă să absoarbă unele gaze, inclusiv hidrogenul obținut la presiune ridicată și stabil la presiunea ambiantă și la temperaturi sub -153 ° C [14]

Gheață pe Pământ

Ghețarul Großglockner din Austria
Copaci acoperiți cu gheață

Mai mult de 90% din stocurile terestre de apă dulce sunt conținute în gheață. Acestea constau din precipitații de gheață solide din atmosfera Pământului, cum ar fi cristale de gheață obținute prin cristalizarea vaporilor de apă pe germenii cristalini care se agregează în municipiile de fulgi de zăpadă , grindina prin solidificarea directă a norului de picături de apă, galaverna , înghețul , gelicidio-ul , Vetrone și vitrate . Gheața compactă pură a ghețarilor și a capacelor polare se formează din zăpadă prin procesul de metamorfism al cristalelor de gheață , în timp ce rafturile de gheață provin direct din solidificarea apei de mare. Întreaga gheață terestră formează criosfera . Disciplina care studiază gheața ca componentă a scoarței terestre este glaciologia .

Efecte și importanță

Spărgător de gheață al Gărzii de Coastă SUA lângă stația McMurdo , februarie 2002

Dezghețarea ghețarilor și a zăpezii montane alimentează râurile și lacurile din aval. Cu toate acestea, majoritatea ghețarilor de pe Pământ se retrag. Suprafețele albe și înghețate ale planetei noastre reflectă căldura solară înapoi în spațiu și reduc efectul de seră . În aproape orice locație, calotele polare și rafturile pentru gheață se micșorează, de asemenea. Creșterea suprafeței oceanului (atât în ​​detrimentul calotelor polare, cât și creșterea nivelului mării în zonele ecuatoriale) absoarbe mai multă căldură solară și contribuie la încălzirea globală și topirea gheții ( feedback ). Mai mult, topirea ghețarilor provoacă expunerea la căldura solară a rocilor mai întunecate de dedesubt, absorbind astfel mai multă căldură și provocând, de asemenea, feedback în acest caz.

Relația cu oamenii

Când gheața se topește, absoarbe o cantitate de energie ( căldura latentă de fuziune ) egală cu cea necesară pentru a crește temperatura unei mase echivalente de apă cu 80 ° C, în timp ce temperatura sa rămâne constantă la 0 ° C. Ca urmare, gheața a fost folosită mult timp ca mediu eficient de răcire. Până de curând, clădirea Parlamentului Ungariei folosea gheața colectată în timpul iernii de la Lacul Balaton ca resursă principală pentru aerul condiționat. Casele de gheață au fost folosite pentru a depozita gheața în timpul iernii, pentru a păstra mărfurile perisabile în timpul verii, iar primele frigidere au funcționat cu un bloc de gheață stocat în interiorul lor. Fabricarea și utilizarea cuburilor de gheață sau a gheaței zdrobite este obișnuită pentru băuturile răcoritoare.

Omul a reușit pentru prima dată să înghețe artificial o masă de apă și, prin urmare, să producă gheață în absența temperaturilor exterioare scăzute, cu mult înainte de invenția frigiderului, exact în 1775. Scoțianul William Cullen a reușit aspirând aerul din un rezervor care conține apă, aceasta a condus la o scădere a presiunii interne, ceea ce a determinat creșterea temperaturii de solidificare a apei pentru a depăși temperatura lichidului în sine, cu solidificarea consecutivă în gheață. [15]

Gheața joacă, de asemenea, un rol important în recreerea de iarnă, în special cu sporturi precum patinajul pe gheață , hochei pe gheață , curling și alpinismul pe ghețari .

Gheața poate fi, de asemenea, un obstacol; pentru porturile apropiate de polii geografici, lipsa de gheață este o necesitate vitală. Exemple sunt Murmansk (Rusia), Pečenga (Rusia, fosta Finlanda) și Vardø . Porturile care nu sunt lipsite de gheață sunt deschise folosind spărgătoare de gheață special concepute.

Literatură

Un „nou-gheață” fictiv apare în nuvela lui Kurt Vonnegut Gheață-nouă . În realitate, în chimie, termenul gheață IX (și alte cifre romane) indică o fază solidă cu caracteristici specifice, stabilă numai într-un anumit interval de presiuni și temperaturi. La temperaturi și presiuni diferite, faza poate exista încă, dar devine metastabilă , adică tinde să se transforme spontan în faza stabilă, cu cât condițiile se abat de la propria sa zonă stabilă. Pentru a da un exemplu, încălzind oțelul până când ajunge la faza austenitică și apoi stingându-l sau răcindu-l rapid pentru a bloca transformarea, se obține o fază metastabilă la presiunea și temperatura ambiantă. Această fază metastabilă este foarte rezistentă și ductilă. În special, gheața IX reală nu are proprietățile imaginii Vonnegut Ice-nine și nu este stabilă la presiunea și temperatura ambiantă.

În romanul Smilla's Sense of Snow, protagonistul, datorită cunoașterii profunde a tipurilor de zăpadă și gheață, reușește să rezolve un caz de crimă.

În mai 2007, în jurul stelei pitice roșii GJ 436 a fost identificată o exoplanetă formată din apă. Sub suprafața gazoasă a acestei planete se presupune că gheața ar trebui să existe sub formă solidă în configurații precum VIII sau X care pe Pământ sunt reproductibile numai în laborator. [16]

Notă

  1. ^ CG Salzmann, și colab., Pregătirea și structurile fazelor de gheață ordonate de hidrogen , în Știință , vol. 311, n. 5768, 2006, pp. 1758–1761, Bibcode : 2006Sci ... 311.1758S , DOI : 10.1126 / science.1123896 , PMID 16556840 .
  2. ^ Laurua Sanders, A Very Special Snowball , Science News, 11 septembrie 2009. Accesat la 11 septembrie 2009 (arhivat din original la 14 septembrie 2009) .
  3. ^ B. Militzer și HF Wilson, Faze noi de gheață de apă prezise la presiunile Megabar ( PDF ), în Physical Review Letters , vol. 105, 2010, p. 195701, Bibcode : 2010PhRvL.105s5701M , DOI : 10.1103 / PhysRevLett.105.195701 , arXiv : 1009.4722 .
  4. ^ JM MacMahon, Structuri de bază ale gheții la presiuni ridicate ( PDF ), Bibcode : 2011arXiv1106.1941M , DOI : 10.1103 / PhysRevB.84.220104 , arXiv : 1106.1941 .
  5. ^ BJ Murray, Bertram, AK, Formarea și stabilitatea gheții cubice în picăturile de apă , în Phys. Chem. Chem. Fizic. , vol. 8, nr. 1, 2006, pp. 186–192, DOI : 10.1039 / b513480c , PMID 16482260 . Bibcode 2006PCCP .... 8..186M
  6. ^ BJ Murray, Formarea îmbunătățită a gheții cubice în picături apoase de acid organic , în Env. Res. Lett. , Vol. 3, nr. 2, 2008, p. 025008, DOI : 10.1088 / 1748-9326 / 3/2/025008 . Bibcode 2008ERL ..... 3b5008M
  7. ^ BJ Murray și colab., Formarea gheții cubice în condiții relevante pentru atmosfera Pământului , în Nature , vol. 434, nr. 7030, 2005, pp. 202–205, DOI : 10.1038 / nature03403 , PMID 15758996 . Bibcode 2005 Nat. 434..202M
  8. ^ Chaplin, Martin, Ice-four structure . Water Structure and Science , 1 iulie 2007. Accesat la 2 ianuarie 2008 .
  9. ^ Chaplin, Martin, Ice-five and ice-tretru structuri . Water Structure and Science , 11 noiembrie 2007. Accesat la 2 ianuarie 2008 .
  10. ^ Chaplin, Martin, Ice-six structure . Water Structure and Science , 11 noiembrie 2007. Adus pe 2 ianuarie 2008 .
  11. ^ Chaplin, Martin, Ice-seven and ice-ten structures . Water Structure and Science , 26 octombrie 2007. Accesat la 2 ianuarie 2008 .
  12. ^ Chaplin, Martin, Hexagonal ice structure , Water Structure and Science , 11 noiembrie 2007. Adus pe 2 ianuarie 2008 .
  13. ^ a b Chaplin, Martin, Gheață-doisprezece și gheață-paisprezece structuri , în Water Structure and Science , 1 iulie 2007. Adus pe 2 ianuarie 2008 .
  14. ^ a b Gheață „italiană” pentru viitorul energiei curate , în hardware-ul lui Tom , 7 noiembrie 2016. Adus pe 7 noiembrie 2016 .
  15. ^ Yunus A. Cengel, Introducere în termodinamică și transfer de căldură , seria McGraw-Hill în finanțe, 2007
  16. ^ Am descoperit o planetă de "gheață care fierbe" , pe lescienze.espresso.repubblica.it , Le Scienze. Adus 17.05.2007 .

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității Tezaur BNCF 3950 · LCCN (EN) sh85063965 · GND (DE) 4013994-3 · BNF (FR) cb11976453f (dată) · NDL (EN, JA) 00.566.627
Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Ice&oldid=121444395 ”