¿Por qué el estanque de mi patio trasero no está congelado cuando afuera hace -15 ° C (5 ° F)?

El agua se derrite a 0 ° C (32 ° F) pero La congelación es un asunto más complicado. Es seguro decir que el agua adquiere la capacidad de congelarse a 0 ° C, pero puede enfriarse mucho antes de que lo haga, lo que da como resultado agua sobreenfriada. El agua en este El estado puede solidificarse rápidamente cuando se introducen núcleos de hielo adecuados. Por ejemplo, en las nubes convectivas, se puede observar agua líquida a temperaturas tan bajas como -40 ° C. Sin embargo, el agua de su estanque no está sobreenfriada.

Dice que el aire está a 5 ° F, pero ¿cuál es la temperatura del agua (probablemente por encima de 0 ° C)? En última instancia, es el agua la que debe estar por debajo del punto de congelación para que se forme hielo. ¿Qué profundidad tiene el estanque en su jardín? El agua, en comparación con el aire, tiene una capacidad mucho mejor para retener el calor y cuanto mayor es el volumen de agua, más reserva de calor tiene La congelación en sí es un proceso exotérmico y la formación de hielo calentará el agua circundante. El estanque probablemente no sea agua pura y esté lleno de iones (por ejemplo, sales) que ha recogido del suelo, lo que reduce el punto de fusión del agua. Todos estos efectos hacen que sea más difícil que el agua en su estanque se congele y podrían explicar lo que está viendo.

De estos efectos, la capacidad calorífica del agua y la temperatura del suelo debajo del estanque son probablemente los principales contribuyentes. Debajo del estanque está el suelo y también es un depósito de calor. B otros son probablemente más cálidos que el punto de fusión del agua, aunque la temperatura del aire es mucho más fría. Si un fluido se enfría desde arriba, el fluido frío se hunde hacia el fondo. Si un líquido se calienta desde abajo, el líquido tibio sube. Solo es necesario que esté sucediendo uno de estos para iniciar la convección, pero es probable que el suelo debajo del estanque sea más cálido que el estanque y tanto el suelo cálido como el aire frío impulsarán la convección en el estanque. Esto, a su vez, significa que su estanque está bien mezclado y necesitará extraer suficiente energía del sistema para enfriar toda el agua y enfriar el suelo debajo del estanque para que se forme hielo en la superficie. Esto llevará tiempo (del orden de días / semanas) de temperaturas del aire bajo cero continuas para lograrlo. Le resultará mucho más fácil congelar su estanque que un lago grande, pero aún así no será un proceso de la noche a la mañana.

Comentarios

• Son un par de pies. Acepté esto porque me gusta la cantidad de posibilidades que aportas a tu respuesta.
• -1 (si pudiera), esta respuesta parece estar aferrándose a las pajas. Ciertamente, un estanque no se va a sobreenfriar; la sal en el agua no va a bajar la temperatura de congelación por debajo de 5 ° F; y el viento agregará tan poca energía que ‘ ni siquiera vale la pena mencionarlo.
• Lo único que puede hacer ahora ES agarrar pajitas, pero la El hecho es que el estanque no está congelado. No ‘ no supone que Casey vaya a buscar una muestra, ¿verdad?
• De hecho, la capacidad calorífica y la temperatura del suelo son las principales responsables de esto. Durante el día, la energía añadida de la luz solar también contribuye, por supuesto. Si ese estanque permanece a 5 F durante uno o dos días, es casi seguro que su superficie se congelará (aunque es probable que el hielo ‘ no sea muy espeso a menos que permanezca tan frío por mucho más tiempo.) Es ‘ s vale la pena señalar que las temperaturas eran inusualmente altas el día antes de que hiciera tanto frío, por lo que el suelo y el agua aún estaban bastante calientes.
• El viento puede también previene la congelación como un sólido durante algún tiempo al interrumpir cualquier » skin » que se forma al agitar. Piense en una máquina para hacer helados: eventualmente, el líquido se congela pero puede llegar muy por debajo del punto de congelación de los ingredientes porque el movimiento evita que los cristales de hielo crezcan mucho. Puede haber pequeños bits flotando congelados, pero estos serán más susceptibles de ser destruidos por otros métodos.

El agua es una sustancia bastante extraña. Con la mayoría de las sustancias, la fase sólida es más densa que la fase líquida. Este no es el caso del agua. El hielo es menos denso que el agua líquida. Un efecto secundario de este efecto es que el agua líquida muy cerca del punto de congelación es menos densa que el agua ligeramente más caliente. Ese agua muy fría se hunde.

El agua dulce líquida alcanza su máxima densidad a una temperatura de 4 ° C (40 ° F). Esto significa que un estanque o lago no se puede congelar hasta que toda la masa de agua se enfríe a 4 ° C. Solo entonces la superficie superior del agua se puede enfriar por debajo de los 4 ° C y luego eventualmente congelarse.

Además de que el agua misma necesita ser enfriada a 4 ° C antes de que pueda comenzar a congelarse, el agua- El suelo saturado debajo del estanque también debe enfriarse. Hasta entonces, ese suelo más cálido transferirá calor al estanque y evitará que se congele.

El tiempo que tarda una masa de agua en comenzar a congelarse depende de una serie de parámetros. Estos incluyen el tamaño y la profundidad de la masa de agua, la naturaleza del suelo debajo de la masa de agua, el clima que conduce al clima frío y el viento. La pregunta no menciona la profundidad del estanque, pero solo ha estado bajo cero en O «fallon, Missouri durante aproximadamente 24 horas, y las temperaturas habían sido bastante suaves antes de eso. Ese lapso de 24 horas de clima bajo cero es tiempo más que suficiente para congelar un pequeño charco, pero ciertamente no un lago, y probablemente ni siquiera un estanque.

La pregunta también menciona que hace viento. Para que una masa de agua se congele, necesita una capa de agua más fría sobre la termoclina de 4 ° C. Los vientos actúan para mantener el agua bien mezclada.

Comentarios

• Gracias. ¡Aceptaría esta respuesta si pudiera aceptar dos!
• +1 esta es la respuesta correcta. El proceso descrito en los dos primeros párrafos se llama convección .
• Seguramente el agua cercana al punto de congelación es menos densa y por lo tanto sube a la cima (en ausencia de otros efectos)?
• » agua líquida muy cerca del punto de congelación es menos denso que ligeramente más cálido agua. Esa agua muy fría se hunde. » Como se observó anteriormente, el agua fría (< 4C) sube, no se hunde. Esto luego aísla el agua más caliente debajo del efecto de enfriamiento del viento.
• @VinceO ‘ Sullivan – No necesariamente. Hay ‘ s un fenómeno en los lagos del norte llamado cambio de otoño. Una vez que un lago se enfría a una temperatura casi uniforme de 4 ° C, los vientos pueden hacer que todo el lago se mezcle. Esto es un estanque, por lo que la rotación no ‘ t será tan alta, a menos que los vientos sean fuertes y sostenidos. El frente frío que atravesó recientemente O ‘ fallon MO trajo vientos fuertes y sostenidos del noroeste, desde el mediodía del sábado (cuando la temperatura descendió por primera vez por debajo de cero) hasta las 4:00 p.m. li>

Debido a convección (el agua fría se hunde mientras el agua caliente sube) , el estanque completo debe llevarse a temperaturas cercanas al punto de congelación antes de que la superficie se congele. Con solo la parte superior del estanque en contacto con el aire frío, esto lleva mucho tiempo.

‍ ‍Además, el suelo (que no se enfría por convección) tardará aún más en enfriarse, lo que significa que el suelo calentará el fondo del estanque. Esa agua tibia subirá a la superficie, lo que alargará el proceso de congelación.

Se necesita tiempo para que las cosas se congelen. Las condiciones anteriores hacen que el estanque se congele lentamente, pero si el aire permaneciera por debajo del punto de congelación para siempre, eventualmente todo el estanque se congelaría sobre (comenzando con la capa superior y bajando, cuando la parte superior se convierte en hielo ya no se hunde porque el hielo tiene menor densidad que el agua ) .

Por este motivo, si viaja al norte de Minnesota donde la pesca en hielo es común, le dirán que el clima debe estar (principalmente) bajo cero durante semanas antes de que el lago sea seguro para caminar o conducir.

El agua de un estanque está en contacto con el suelo y el suelo ni siquiera está cerca de congelarse incluso si el la temperatura del aire es 27 ° por debajo del punto de congelación.

Comentarios

• Mucha ciencia se está lanzando por aquí, mientras que la respuesta simple es que el suelo todavía está demasiado cálido. Si el suelo está congelado más allá del fondo del estanque, entonces podemos entrar en toda esa jerga de núcleos de hielo superfríos.
• @ BlueRaja-DannyPflughoeft, tú ‘ es absolutamente correcto. Hice mi respuesta lo más simple posible.

Esto podría deberse a que el aire se enfría y calienta más rápido que el agua. El aire tiene un Calor específico más bajo que el agua. Es posible que el agua tarde un poco en congelarse.

Nadie ha mencionado todavía los peces. ¿Tiene peces u otros animales en su estanque? No solo proporcionan una pequeña cantidad de calentamiento, su movimiento ayudará a prevenir la formación de hielo.

Comentarios

• ¡Sí, contiene pescado! 🙂

La variable que debe considerar para comprender el problema es la profundidad del estanque. Apuesto a que, en contraste con su estanque, los charcos poco profundos alrededor se congelaron.

El agua es más densa a 4 ° C, por lo que para congelar la superficie necesita enfriar todo el estanque a 4 ° C. De lo contrario , cuando el agua en la superficie se enfría a 4 ° C, se hundirá y será reemplazada por agua más caliente desde abajo, luego, si esa agua se enfría a 4 ° C, se hundirá nuevamente y será reemplazada por agua más caliente, y así sucesivamente . Solo una vez que todo el estanque esté a 4 ° C, el agua en la superficie puede enfriarse por debajo de esa temperatura y aún ser más liviana que el agua de abajo, por lo tanto, permanecerá en la superficie y puede seguir enfriándose hasta que se congele produciendo una capa. de hielo superficial.

La siguiente figura de esta pregunta en «Preguntas científicas con respuestas sorprendentes» muestra las diferencias de estratificación de temperatura de un estanque cálido (figura de verano), y uno lo suficientemente frío como para iniciar la formación de una corteza de hielo en la superficie (figura de invierno).

El tiempo necesario para enfriar toda la masa de agua es proporcional a la profundidad. Los cuerpos de agua poco profundos se congelarán más fácilmente y los profundos requerirán períodos prolongados de temperaturas bajo cero para comenzar a generar una costra congelada.

Además de la respuesta aceptada de Casey, es probable que el sol esté calentando el estanque en el transcurso de un día más de lo que calienta el termómetro utilizado para las lecturas de temperatura que está citando, ya que los termómetros se mantienen dentro de un Pantalla Stevenson .

Comentarios

• Si el suelo está calentando el agua, la condensación debería estar subiendo del agua. Tome una lectura de temperatura del estanque y agréguela a su pregunta.

El agua pura se congela a 0 ° C (32 ° F) y la mayor parte del tiempo rara vez se encuentra agua pura en estanques y otros cuerpos de agua abiertos. Cuando las impurezas se mezclan en el agua, su punto de congelación disminuye.

Comentarios

• los estanques son cuerpos de agua dulce. El agua de mar salina se congela a unos -2 ° C, por lo que el efecto será insignificante para el agua dulce.

El tiempo que tarden en congelarse un estanque u otra masa de agua y cuánto tiempo depende de varios factores. Presión del aire, TDS (sólidos totales disueltos o sales), movimiento del agua en sí y la temperatura del ambiente circundante.

Presión del aire: principalmente en función de la altitud, la presión del aire afecta la presión del agua, con agua a mayor presión que requiere temperaturas más bajas para congelarse. https://physics.stackexchange.com/questions/60170/freezing-point-of-water-with-respect-to-pressure

TDS – Total de sólidos disueltos, principalmente sales y otros iones, reducen el punto de congelación de agua hasta cierto punto y dependiendo de las sustancias químicas específicas y la concentración disuelta. En estanques de agua dulce, es poco probable que esto signifique más de 1 o 2 grados de diferencia. https://www.troublefreepool.com/threads/17456-Quantifying-TDS-constituents-affect-on-freezing-point-of-H20

Movimiento del agua. El agua en movimiento tiende a inhibir la formación de cristales de hielo y retrasar la congelación. https://www.physicsforums.com/threads/temperature-needed-to-freeze-moving-water.515414/

Temperatura del entorno circundante. En general, con agua al aire libre como estanques y lagos, el suelo debajo del cuerpo de agua permanecerá cerca de la temperatura promedio anual. El aire sobre el estanque tendrá que eliminar suficiente calor del estanque para superar todos estos factores.

El agua también tiene la propiedad única (?) De disminuir su densidad a medida que se congela.Esto significa que el hielo, que se forma, se formará en la superficie donde el agua tiende a estar más caliente para empezar. En la parte líquida del estanque, la convección traerá calor de la tierra debajo del estanque a la superficie, lo que retrasa la formación de hielo. El agua fría que desciende hasta el fondo se somete a una presión creciente, disminuya su punto de congelación, de modo que incluso una vez que alcance el punto de congelación en la superficie, no se congele a medida que desciende hacia la tierra caliente.

El efecto neto de todo esto es que toda la masa de agua debe alcanzar el punto de congelación antes de que se pueda formar hielo. Cuanto más profundo sea el estanque / lago, más tiempo llevará y un cuerpo de agua lo suficientemente profundo nunca se congelará por completo en condiciones normales de la tierra. A medida que la capa de hielo se forma en la superficie, actúa para aislar el agua debajo de ella, reduciendo la cantidad de calor que el aire puede eliminar, pero el hielo no se forma en el fondo del estanque, por lo que continúa recibiendo calor de la tierra. Por lo tanto, el estanque nunca se congela por completo si es lo suficientemente profundo y el invierno lo suficientemente corto.

El agua de su estanque tiene bajar por debajo del punto de congelación. Se necesita tiempo para que el calor del agua se transfiera a los alrededores. El suelo debajo del agua probablemente tampoco esté por debajo del punto de congelación, por lo que transferirá calor al agua al mismo tiempo. Al observar el historial de temperaturas para el tiempo en cuestión, las temperaturas altas de todos los días estuvieron por encima del punto de congelación y las temperaturas promedio estuvieron cerca o por encima del punto de congelación también . Se necesita más de un día para que una gran cantidad de agua pierda tanto calor en el medio ambiente cuando está cerca de esa temperatura de todos modos.

Podrías hacer tu propio experimento obteniendo botellas de agua de diferentes tamaños y ver cómo cada uno tarda en congelarse en las mismas condiciones. Se necesita mucha más pérdida de energía para cambiar el estado del agua de líquido a sólido. 4200 J / litro / grado (C) para cambiar la temperatura del agua, 333,000 J para cristalizar un litro de agua. Entonces, para congelar completamente el estanque, sus alrededores tendrían que absorber la misma cantidad de energía que se necesitaría para bajar la temperatura casi 80 grados centígrados.

La temperatura del aire es de 5 grados. La temperatura del agua no lo es. La misma razón por la que un tazón de sopa o una taza de café permanece más caliente que la temperatura ambiente durante un tiempo antes de que se enfríe a temperatura ambiente. Tome ese tazón o taza y amplíelo al tamaño de un lago.

Piense en lo caliente que puede ponerse una pila de abono (lo suficientemente caliente como para incendiarse). Eso es básicamente lo que está sucediendo en el fondo del estanque durante un período de tiempo más largo a medida que la materia en descomposición del verano se descompone como en un digestor de metano.

Además, el El hielo (y la nieve) que se forma alrededor de los bordes en la parte superior actúa como un aislante. Y dado que el hielo flota, crea un ciclo de retroalimentación negativa con respecto al enfriamiento, razón por la cual muchos lagos se congelan en la parte superior, pero permanecen líquidos debajo. la capa de hielo (además de la producción de calor biótico).