La naturaleza nos sorprende con fenómenos inexplicables. Uno de ellos es la cristalización del agua. Muchos están interesados ​​en una pregunta tan inusual como por qué se forma hielo en la superficie de un depósito a temperaturas bajo cero, pero debajo del hielo el agua retiene una forma líquida. ¿Cómo explicarlo?

Por qué el agua bajo hielo espeso no se congela: respuestas

¿A qué temperatura comienza a endurecerse? Este proceso comienza ya cuando la temperatura desciende a 0 grados centígrados, siempre que se mantenga el nivel normal de presión atmosférica.

La capa de hielo en este caso cumple una función de aislamiento térmico. Protege el agua que se encuentra debajo de los efectos de las bajas temperaturas. Esa capa de líquido, que se encuentra directamente debajo de la corteza de hielo, tiene una temperatura de solo 0 grados. Pero la capa inferior se caracteriza por un aumento de la temperatura, que fluctúa dentro de los +4 grados.

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Si la temperatura del aire sigue bajando, el hielo se vuelve más espeso. En este caso, se enfría la capa que se encuentra directamente debajo del hielo. Al mismo tiempo, toda el agua no se congela, ya que tiene una temperatura alta.

Además, condición importante La formación de la costra de hielo es que la baja temperatura debe mantenerse durante mucho tiempo, de lo contrario, el hielo no tendrá tiempo de formarse.

¿Cómo se forma el hielo?

A medida que la temperatura disminuye, la densidad del líquido disminuye. Esto explica por qué el agua más caliente está en el fondo y el agua fría en la parte superior. El efecto del frío provoca la expansión y disminución de la densidad, como resultado se forma una costra de hielo en la superficie.

Gracias a estas propiedades del agua, la temperatura de +4 grados se mantiene en las capas inferiores. Este régimen de temperatura es ideal para los habitantes de las profundidades de los cuerpos de agua (tanto peces como mariscos, plantas). Si baja la temperatura, morirán.

Es interesante que en tiempo cálido año, ocurre lo contrario: la temperatura del depósito en la superficie es mucho más alta que en la profundidad. La rapidez con que se congelará el agua depende de la cantidad de sal presente en su composición. Cuanto mayor es la concentración de sal, peor se congela.

La corteza de hielo ayuda a retener el calor, por lo que el agua debajo está un poco más caliente. El hielo impide el paso de aire a la capa inferior, lo que ayuda a mantener un cierto régimen de temperatura.

Si la capa de hielo es gruesa y la masa de agua es lo suficientemente profunda, el agua que contiene no se congelará por completo. Si no es suficiente, existe la posibilidad de que, al exponerse a bajas temperaturas, todo el depósito se congele.

ruso tradición popular- nadar en el hoyo en Epifanía, 19 de enero, atrae a más y más personas. Este año, se organizaron en San Petersburgo 19 agujeros de hielo llamados "pila bautismal" o "Jordan". Los agujeros de hielo estaban bien equipados con puentes de madera, los salvavidas estaban de servicio en todas partes. Y es interesante que, por regla general, las personas que se bañan dijeron a los periodistas que estaban muy felices, que el agua estaba tibia. Yo mismo no nadé en invierno, pero sé que el agua en el Neva era de hecho + 4 + 5 ° C, según las mediciones, que es mucho más cálida que la temperatura del aire: 8 ° C.

El hecho de que la temperatura del agua bajo el hielo a una profundidad de 4 grados sobre cero en lagos y ríos es conocido por muchos, pero, como muestran las discusiones en algunos foros, no todos entienden la razón de este fenómeno. A veces, el aumento de temperatura está asociado con la presión de una gruesa capa de hielo sobre el agua y un cambio en el punto de congelación del agua en relación con esto. Pero la mayoría de las personas que estudiaron física con éxito en la escuela dirán con confianza que la temperatura del agua en profundidad está asociada con un fenómeno físico bien conocido: un cambio en la densidad del agua con la temperatura. A +4°C agua dulce adquiere su mayor densidad.

A temperaturas alrededor de 0°C, el agua se vuelve menos densa y más ligera. Por lo tanto, cuando el agua en el depósito se enfría a +4 ° C, la mezcla de agua por convección se detiene, su enfriamiento adicional ocurre solo debido a la conductividad térmica (y no es muy alta en agua) y los procesos de enfriamiento del agua se ralentizan. bruscamente. Incluso en heladas severas, en un río profundo bajo una gruesa capa de hielo y una capa de agua fría, siempre habrá agua con una temperatura de +4 °C. Solo pequeños estanques y lagos se congelan hasta el fondo.

Decidimos averiguar por qué el agua se comporta de manera tan extraña cuando se enfría. Resultó que aún no se ha encontrado una explicación exhaustiva de este fenómeno. Las hipótesis existentes aún no han encontrado confirmación experimental. Hay que decir que el agua no es la única sustancia que tiene la propiedad de expandirse cuando se enfría. Un comportamiento similar también es característico del bismuto, el galio, el silicio y el antimonio. Sin embargo, es el agua la que tiene mayor interés, ya que es una sustancia muy importante para la vida humana y para toda la flora y fauna.

Una de las teorías es la existencia de dos tipos de nanoestructuras de alta y baja densidad en el agua, que cambian con la temperatura y generan un cambio anómalo de densidad. Los científicos que estudian los procesos de sobreenfriamiento de las masas fundidas propusieron la siguiente explicación. Cuando el líquido se enfría por debajo del punto de fusión, la energía interna del sistema disminuye y la movilidad de las moléculas disminuye. Al mismo tiempo, se mejora el papel de los enlaces intermoleculares, por lo que se pueden formar varias partículas supramoleculares. Los experimentos de los científicos con o_terfenil líquido sobreenfriado sugirieron que, con el tiempo, podría formarse una "red" dinámica de moléculas más densamente empaquetadas en un líquido sobreenfriado. Esta cuadrícula se divide en celdas (regiones). El reenvasado molecular dentro de la célula determina la velocidad de rotación de las moléculas en ella, y un reordenamiento más lento de la propia red conduce a un cambio en esta velocidad con el tiempo. Algo similar puede ocurrir en el agua.

En 2009, el físico japonés Masakazu Matsumoto, utilizando simulaciones por computadora, presentó su teoría de los cambios en la densidad del agua y la publicó en la revista Físico Revisar letras(¿Por qué el agua se expande cuando se enfría?) Como saben, en forma líquida, las moléculas de agua se combinan en grupos (H 2 O) a través de enlaces de hidrógeno. X, donde X es el número de moléculas. La combinación energéticamente más favorable de cinco moléculas de agua ( X= 5) con cuatro enlaces de hidrógeno, en los que los enlaces forman un ángulo tetraédrico igual a 109,47 grados.

Sin embargo, las vibraciones térmicas de las moléculas de agua y las interacciones con otras moléculas no incluidas en el grupo impiden tal unión, desviando el ángulo del enlace de hidrógeno del valor de equilibrio de 109,47 grados. Para caracterizar cuantitativamente de alguna manera este proceso de deformación angular, Matsumoto y sus colegas propusieron una hipótesis sobre la existencia de microestructuras tridimensionales en el agua, que se asemejan a poliedros huecos convexos. Más tarde, en publicaciones posteriores, llamaron vitritas a tales microestructuras. En ellos, los vértices son moléculas de agua, el papel de los bordes lo juegan los enlaces de hidrógeno, y el ángulo entre los enlaces de hidrógeno es el ángulo entre los bordes en vitrita.

Según la teoría de Matsumoto, existe una gran variedad de formas de vitritas, que, como elementos de mosaico, constituyen una gran parte de la estructura del agua y que, al mismo tiempo, llenan uniformemente todo su volumen.

La figura muestra seis vitritas típicas que forman la estructura interna del agua. Las bolas corresponden a moléculas de agua, los segmentos entre las bolas representan enlaces de hidrógeno. Arroz. de un artículo de Masakazu Matsumoto, Akinori Baba e Iwao Ohminea.

Las moléculas de agua tienden a crear ángulos tetraédricos en las vitritas, ya que las vitritas deben tener la energía más baja posible. Sin embargo, debido a los movimientos térmicos y las interacciones locales con otras vitritas, algunas adquieren configuraciones estructuralmente fuera de equilibrio que permiten que todo el sistema reciba el valor de energía más bajo posible. Estos fueron llamados frustrados. Si las vitritas no frustradas tienen el máximo volumen de cavidad a una temperatura dada, las vitritas frustradas, por el contrario, tienen el mínimo volumen posible. Las simulaciones por computadora realizadas por Matsumoto mostraron que el volumen promedio de las cavidades de vitrita disminuye linealmente con el aumento de la temperatura. Al mismo tiempo, las vitritas frustradas reducen significativamente su volumen, mientras que el volumen de la cavidad de las vitritas no frustradas casi no cambia.

Entonces, la compresión del agua con el aumento de la temperatura, según los científicos, es causada por dos efectos competitivos: el alargamiento de los enlaces de hidrógeno, lo que conduce a un aumento en el volumen de agua y una disminución en el volumen de las cavidades de vitritas frustradas. . En el rango de temperatura de 0 a 4°C, prevalece este último fenómeno, como lo muestran los cálculos, lo que finalmente conduce a la compresión observada del agua con el aumento de la temperatura.

Esta explicación se basa hasta ahora solo en simulaciones por computadora. Experimentalmente es muy difícil de confirmar. La investigación sobre las propiedades interesantes e inusuales del agua continúa.

Fuentes

V.O. Alexandrova, M. V. Marchenkova, E. A. Pokintelits "Análisis de los efectos térmicos que caracterizan la cristalización de fundidos sobreenfriados" (Donbass academia nacional construcción y arquitectura)

Yu Erin. Se ha propuesto una nueva teoría para explicar por qué el agua se contrae cuando se calienta de 0 a 4°C (

Temperatura bajo hielo 0.1-0.3° por encima de cero, en primavera durante la deriva del hielo no excede 1 °. Durante los períodos sin hielo, la temperatura del agua depende principalmente de la temperatura del aire. La temperatura media diaria del agua suele ser inferior a la temperatura del aire hasta mediados de verano y superior a finales de verano y otoño.

Debajo de los embalses, la temperatura del agua del río en verano es significativamente más baja de lo habitual, en invierno es más alta, lo que conduce a la formación de muchos kilómetros de secciones del río que no se congelan. La abundante alimentación subterránea del río enfría sus aguas en período de verano, en invierno conduce a una disminución de la capa de hielo y, a veces, a la formación de una polinia.

Los máximos diarios de temperatura del agua se retrasan 1-2 horas en comparación con la temperatura del aire.

En ríos pequeños y medianos, la temperatura del agua prácticamente no cambia con la profundidad; ríos principales es posible su descenso en verano en las capas inferiores en 1-2°.

disipador térmico(Wm en J o kcal) - la cantidad de calor transportado a través de una sección determinada del río durante un intervalo de tiempo (∆ t):

W metro = L Tm ρ T V, donde V- el volumen de agua escurrida para el mismo intervalo de tiempo, T- temperatura media del agua, ρ - su densidad, L m - capacidad calorífica específica del agua.

Grandes ríos que fluyen en la dirección meridional - ríos transzonales- tener una temperatura del agua que no es característica de los ríos de la zona.

De acuerdo con la naturaleza del régimen de hielo, los ríos se dividen en tres grupos: congelación, con congelación inestable y sin congelación.

En los ríos helados, se distinguen tres períodos con fenómenos de hielo característicos: 1) fenómenos de congelación o hielo de otoño, 2) fenómenos de congelación, 3) apertura o hielo de primavera.

Congelación de los ríos Cuando la temperatura del agua baja a cero, comienzan los fenómenos de hielo otoñal en el río. Manchas salo-flotantes de una película de hielo, que consisten en cristales de hielo en forma de finas agujas. Aproximadamente al mismo tiempo, se forman las costas todavía hielo cerca de la costa. Cuando el agua se sobreenfría (a fracciones de un grado bajo cero), se puede formar una masa de hielo esponjosa opaca de hielo intraacuático de cristales de hielo intercrecidos aleatoriamente en su espesor y en el fondo. La acumulación de hielo intraacuático en la superficie o en el espesor de la corriente forma un lodo. Su movimiento se denomina lodo. Al mismo tiempo, se forman témpanos de hielo en la superficie, que consisten en hielo cristalino. Su movimiento es la deriva de hielo de otoño.

Congelación: la formación de una capa continua de hielo inmóvil. Pequeñas áreas que no se congelan - polinias Están asociados con salidas agua subterránea o con una corriente rápida, a veces con la descarga de agua caliente en el río por empresas industriales y municipales. A medida que aumenta el espesor de la capa de hielo, la sección transversal del canal disminuye. Bajo la influencia de la presión resultante, el agua puede derramarse sobre la superficie del hielo. Cuando se congela, se forma escarcha.

apertura del río. Con el inicio de temperaturas positivas del aire en primavera, la nieve comienza a derretirse y luego el hielo. En el río cerca de las orillas, se forman franjas de agua clara - llantas La adherencia de la capa de hielo a la orilla se detiene, aparecen grietas. A veces, después de esto, se observa un pequeño desplazamiento (varios metros) de los campos de hielo: movimientos de hielo. Luego, la capa de hielo se rompe en témpanos de hielo separados, cuyo movimiento se forma deriva de hielo de primavera. Con más frecuencia que en otoño, se producen atascos de tráfico, especialmente en los grandes ríos que fluyen de sur a norte. En los ríos pequeños, la capa de hielo a menudo se derrite en el lugar sin que el hielo se desplace.

¿Por qué el agua de los embalses no se congela hasta el fondo en invierno?

¡Hola!

La temperatura de la densidad más alta del agua: +4 C, ver: http://news.mail.ru/society/2815577/

Esta propiedad del agua es de fundamental importancia para la supervivencia de los seres vivos de muchos embalses. Cuando la temperatura del aire (y, en consecuencia, la temperatura del agua) comienza a disminuir en otoño y en el período anterior al invierno, al principio, a una temperatura superior a +4 C, el agua más fría de la superficie del embalse desciende (como más pesada ), y el agua tibia, como más liviana, sube y va mezclándose con el agua vertical habitual. Pero tan pronto como T = +4 C se establece verticalmente en el cuerpo de agua, el proceso de circulación vertical se detiene, porque desde la superficie el agua que ya está a + 3 C se vuelve más liviana que la que está debajo (a + 4 C) y la transferencia de calor turbulento frío disminuye bruscamente verticalmente. Como resultado, el agua incluso comienza a congelarse desde la superficie, y luego se establece una capa de hielo, pero al mismo tiempo, en invierno, la transferencia de frío a las capas inferiores de agua disminuye drásticamente, ya que la capa de hielo desde arriba , y más aún, la capa de nieve que ha caído sobre el hielo desde arriba, ¡tiene ciertas propiedades de aislamiento térmico! Por lo tanto, al menos una capa delgada de agua casi siempre permanecerá en el fondo del reservorio a T \u003d + 4 ° C, y esta es la temperatura de supervivencia en el agua del río, pantano, lago y otras criaturas vivientes. Si no fuera por esta propiedad interesante e importante del agua (Densidad máxima a + 4C), todos los cuerpos de agua en la tierra se congelarían hasta el fondo cada invierno, ¡y la vida en ellos no sería tan abundante!

¡Mis mejores deseos!

Aquí interviene una propiedad muy importante del agua. El agua sólida (hielo) es más ligera que su estado líquido. Gracias a esto, el hielo siempre está encima y protege las capas inferiores de agua de las heladas. Solo los embalses muy poco profundos en heladas muy severas pueden congelarse hasta el fondo. En los casos normales, siempre hay agua bajo una capa de hielo, en la que se conserva toda la actividad de la vida submarina.

Todo depende de la fuerza de las heladas, a veces incluso los estanques profundos estancados pueden congelarse hasta el fondo. si las heladas están por debajo de menos 40 durante varias semanas. Pero básicamente, de hecho, los embalses no se congelan, lo que hace posible que los peces y las plantas que viven en ellos sobrevivan. Y el punto aquí está en una propiedad tan curiosa del agua como un coeficiente de expansión negativo, que el agua tiene a una temperatura de +4 grados o menos. Es decir, si el agua se calienta por encima de los 4 grados, entonces, con un aumento de su temperatura, tenderá a ocupar un volumen mayor, su densidad disminuirá y aumentará. Si el agua se enfría por debajo de los 4 grados, la situación cambia a la inversa: cuanto más fría está el agua, más liviana se vuelve y menor su densidad, y por lo tanto, las capas de agua más frías tienden a subir, y aquellas con una temperatura de + 4 - abajo. Así, bajo el hielo, la temperatura del agua se fija en +4 grados. Las capas límite de agua junto al hielo derretirán el hielo o se congelarán, aumentando el espesor del hielo, hasta que se establezca un equilibrio dinámico: cuánto hielo se derrite del agua tibia, cuánta agua se congela del hielo frío. Bueno, ya se ha dicho todo sobre la conductividad térmica del hielo.

te perdiste mucho punto importante: la mayor densidad de agua está a una temperatura de +4 grados. Por lo tanto, antes de que el depósito comience a congelarse, toda el agua que contiene, mezclada, se enfría hasta estos más cuatro, y solo entonces la capa superior se enfría hasta cero y comienza a congelarse. Dado que el hielo es más liviano que el agua, no se hunde hasta el fondo, sino que permanece en la superficie. Además, el hielo tiene una conductividad térmica muy baja y esto reduce drásticamente el intercambio de calor entre el aire frío y la capa de agua debajo del hielo.

Y fuentes de alimentación. Por régimen térmico Las rocas se dividen en tres tipos zonales principales:

1. con agua constantemente caliente sin fluctuaciones estacionales de temperatura: Amazonas, Congo, Níger, etc.;
2. con fluctuaciones estacionales en la temperatura del agua, pero sin heladas en invierno: Sena, Támesis, etc .;
3. con grandes fluctuaciones estacionales de temperatura, heladas en invierno: Volga, Amur, Mackenzie, etc.

Este último tipo se puede dividir en dos subtipos: ríos con heladas inestables y estables. Ambos ríos tienen el régimen térmico más difícil.

Cerca de ríos planos de zonas templadas y subpolares zonas climáticas en la mitad cálida del año, en la primera mitad del período, la temperatura del agua es más baja que la temperatura del aire, y en la segunda mitad es más alta. Las temperaturas del agua en la sección viva de los ríos difieren poco debido a la mezcla. El cambio en la temperatura del agua a lo largo del río depende de la dirección del flujo: es menor para los ríos latitudinales que para los ríos que fluyen en la dirección meridional. En los ríos que fluyen de norte a sur, la temperatura aumenta desde la fuente hasta la desembocadura (Volga, etc.), fluyendo de sur a norte y viceversa (Ob, Yenisei, Lena, Mackenzie). Estos ríos transportan enormes reservas de calor al Océano Ártico, aliviando las condiciones de hielo allí en verano y otoño. En los ríos de montaña alimentados por aguas de deshielo de nieve y glaciares, la temperatura del agua es más baja que la temperatura del aire en todas partes, pero en los tramos inferiores la diferencia entre ellos se suaviza.

En el período invernal de congelación de los ríos, se distinguen tres fases principales: congelación, congelación, apertura. La congelación de los ríos comienza a una temperatura del aire ligeramente por debajo de 0 ° C con la aparición de cristales de aguja, luego manteca de cerdo y hielo en panqueques. Con fuertes nevadas, se forma nieve en el agua. Al mismo tiempo, aparecen tiras de hielo cerca de la costa - orillas. En las grietas - rápidos, puede aparecer hielo en el fondo, que luego emerge, formando una deriva de hielo otoñal con hielo en forma de panqueque, con orillas y témpanos de hielo arrancados de las orillas . La capa de hielo en la superficie de los ríos se establece principalmente como resultado de los atascos de tráfico: la acumulación de témpanos de hielo en aguas poco profundas, en lugares sinuosos y estrechos y su congelación entre sí y con las orillas. Los ríos pequeños se congelan antes que los grandes. Bajo el hielo, la temperatura del agua en los ríos es casi constante y cercana a los 0°C. La duración de la congelación y el espesor del hielo es diferente y depende de las condiciones invernales. Por ejemplo, el Volga en el tramo medio está cubierto de hielo durante 4-5 meses, y el espesor del hielo alcanza un metro, el Lena en el tramo medio se congela durante 6-7 meses con un espesor de hielo de hasta 1,5- 2 m El grosor y la fuerza del hielo determinan la posibilidad y la duración de los cruces de ríos y el movimiento sobre su hielo, en las carreteras de invierno. Durante la formación de hielo en los ríos se pueden observar fenómenos como las polinias; dinámico: en secciones rápidas del canal, térmico: en lugares donde sale agua subterránea relativamente cálida o se descarga agua industrial, así como debajo de presas de embalse. En áreas de permafrost con heladas severas, el hielo del río es frecuente: crecimientos de hielo en forma de montículos cuando el agua del río fluye hacia la superficie debido al estrechamiento de la sección transversal del flujo. También hay bloqueos: bloqueo de la sección viva del río con una masa de viutrivodny y fondo hielo roto. Finalmente, la congelación completa de los ríos en el noreste de Siberia y Alaska también es posible en condiciones de permafrost y en ausencia de alimentación subterránea en los ríos.

La apertura de los ríos en primavera se produce 1,5-2 semanas después de que la temperatura del aire pasa por 0°C debido al calor solar y la llegada de aire caliente. El derretimiento del hielo comienza bajo la influencia del agua de nieve derretida que ingresa al río, aparecen franjas de agua cerca de la costa: bordes, y cuando la nieve se derrite en la superficie del hielo, parches descongelados. Luego se producen cambios de hielo, se colapsa, se observa la deriva del hielo primaveral y las inundaciones. En los ríos que fluyen de los lagos, además de la deriva de hielo del río principal, hay una deriva de hielo secundaria debido a la eliminación del hielo del lago. La altura de la inundación depende de la cantidad anual de reservas de nieve en la cuenca, la intensidad del deshielo primaveral y la lluvia durante este período. En los ríos que fluyen de norte a sur, la deriva de hielo y las aguas altas en diferentes secciones pasan en diferentes momentos, comenzando desde los tramos más bajos; hay varios picos de inundaciones y, en general, todo transcurre sin problemas, pero se extiende en el tiempo (por ejemplo, en el Dnieper, Volga, etc.).

En los ríos que fluyen de sur a norte, la apertura comienza en los tramos superiores. La ola de agua alta se mueve río abajo, donde todo todavía está cubierto de hielo. Comienzan poderosas derivas de hielo, los bancos a menudo se destruyen, surge un peligro para los barcos que pasan el invierno, por ejemplo, en el norte de Dvina, Pechora, Ob, Yenisei, etc. A menudo se forman atascos de hielo: montones de témpanos de hielo que juegan el papel de presas: por encima de sus ríos desbordan sus orillas e inundan solo las llanuras aluviales, pero también las terrazas bajas de las llanuras aluviales. Al mismo tiempo, los de estas terrazas están bajo agua helada. asentamientos. Por lo tanto, en 2001, se formaron fuertes atascos de hielo en el curso medio del Lena, como resultado de lo cual la población de la ciudad de Lensk y las aldeas circundantes, que se encontraban en la primera terraza sobre la llanura aluvial, tuvo que ser evacuada. A menudo, la "patria del padre Frost" sufre atascos de tráfico: Veliky Ustyug, que se encuentra en la confluencia de los ríos Sukhona y Yuga al comienzo del norte de Dvina. Para combatir este desastre natural, se han establecido servicios para monitorear la apertura de hielo y ventisqueros y unidades especiales, que bombardean y explotan atascos de hielo para despejar los canales de hielo.

Literatura.

1. Liubushkina S.G. Geografía general: Proc. Subsidio para estudiantes universitarios matriculados en especial. "Geografía" / S.G. Liubushkina, K.V. Pashkang, AV Chernov; ed. AV. Chernov. - M.: Ilustración, 2004. - 288 p.