Miksi takapihani lampi ei ole jäätynyt, kun ulkona on -15 ° C (5 ° F)?

Vesi sulaa 0 ° C: ssa, mutta jäätyminen on monimutkaisempi asia. On turvallista sanoa, että vesi saavuttaa jäätymiskyvyn 0 ° C: ssa, mutta se voi muuttua paljon viileämmäksi ennen kuin se todella tekee niin, mikä johtaa ylijäähdytettyyn veteen. tila voi kiinteytyä nopeasti, kun sopivia jääytimiä lisätään. Esimerkiksi konvektiivipilvissä nestemäistä vettä voidaan havaita jopa -40 ° C: n lämpötiloissa. Lammikkosi vesi ei kuitenkaan ole ylijäähtynyt.

Sanot ilman olevan 5 ° F, mutta mikä on veden lämpötila (todennäköisesti yli 0 ° C)? Viime kädessä se on vesi Jään muodostumisen on oltava pakkasen alapuolella. Kuinka syvällä takapihallasi on lampi? Vedellä on ilmaan verrattuna paljon parempi kyky pitää lämpöä ja mitä suurempi vesimäärä on, sitä enemmän sinulla on lämpösäiliötä Itse jäätyminen on eksoterminen prosessi, ja jään muodostuminen lämmittää ympäröivää vettä. Lampi ei todennäköisesti ole puhdasta vettä ja täynnä ioneja (esim. suoloja), jotka se on kerännyt maasta, mikä alentaa veden sulamispistettä. Kaikki nämä vaikutukset vaikeuttavat lampesi veden jäätymistä ja voivat selittää näkemäsi.

Näistä vaikutuksista veden lämpökapasiteetti ja lammen alla olevan maan lämpötila Lammen alla on maa ja myös lämpösäiliö B muut ovat todennäköisesti lämpimämpiä kuin veden sulamispiste, vaikka ilman lämpötila on paljon kylmempi. Jos neste jäähdytetään ylhäältä, viileä neste uppoaa pohjaa kohti. Jos neste lämmitetään alhaalta, lämmin neste nousee. Vain yhden näistä on tapahduttava konvektion aloittamiseksi, mutta on todennäköistä, että lammen alla oleva maa on lämpimämpi kuin lampi, ja sekä lämmin maa että viileä ilma johtavat konvektiota lampissa. Tämä puolestaan tarkoittaa, että lampi on hyvin sekoitettu, ja sinun on otettava järjestelmästä riittävästi energiaa jäähdyttämään koko vesi ja jäähdyttämään lampi alla oleva maa, jotta jää voi muodostua pinnalle. Tämä vie aikaa (päivien / viikkojen järjestyksessä) jatkuvien pakkasen alilämpötilojen saavuttamiseksi. Sinulla on paljon helpompaa aikaa jäädyttää lampi kuin suurella järvellä, mutta se ei silti ole yön yli tapahtuva prosessi.

Kommentit

• Se on pari jalkaa. Hyväksyin tämän bc: n. Pidän siitä, kuinka monta mahdollisuutta annat vastaukseesi.
• -1 (jos voisin), tämä vastaus näyttää tarttuvan olkiin. Lampea ei todellakaan tule ylikuumentamaan; vedessä oleva suola ei aio tuoda jäätymislämpötilaa alle 5 ° F; ja tuuli lisää niin vähän energiaa, että ’ ei ole edes mainitsemisen arvoinen.
• Ainoa asia, jonka voit tehdä juuri nyt, on tarttua olkiin, mutta tosiasia on, että lampi ei ole jäätynyt. Et ole ’ et oleta, että casey menee ja hae näyte?
• Suurimmaksi osaksi tästä ovat vastuussa lämpökapasiteetti ja maan lämpötila. Päivän aikana tietysti myös auringonvalosta lisätty energia vaikuttaa. Jos lampi istuu 5 F: n lämpötilassa yhden tai kahden päivän ajan, sen pinta jäätyy melkein varmasti (vaikka jää todennäköisesti ei olisi ’ t hyvin paksu, ellei se pysyisi niin kylmänä paljon kauemmin.) ’ on syytä huomata, että lämpötilat olivat kohtuuttoman korkeita edellisenä päivänä ennen kylmää, joten maa ja vesi olivat vielä melko lämpimiä.
• Tuuli voi estä myös jäätymistä kiinteänä aineena jonkin aikaa häiritsemällä sekoittamisen aikana muodostuvaa ” ihoa ”. Ajattele jäätelökoneita – lopulta neste jäätyy, mutta se voi nousta selvästi ainesosien jäätymispisteen alapuolelle, koska liike estää jääkiteiden kasvavan paljon. Jäädytetyn ympärillä voi olla vähän bittejä, mutta ne ovat alttiimpia tuhoutumiselle muilla menetelmillä.

Vesi on melko outo aine. Useimpien aineiden kanssa kiinteä faasi on tiheämpi kuin nestefaasi. Näin ei ole vedessä. Jää on vähemmän tiheää kuin nestemäinen vesi. Tämän vaikutuksen sivuvaikutus on, että nestemäinen vesi hyvin lähellä jäätymispistettä on vähemmän tiheää kuin hieman lämpimämpi vesi. Tämä erittäin viileä vesi uppoaa.

Nestemäinen makea vesi saavuttaa suurimman tiheytensä lämpötilassa 4 ° C (40 ° F). Tämä tarkoittaa, että lampi tai järvi ei voi jäätyä, ennen kuin koko vesistö on jäähtynyt 4 ° C: seen. Vasta sitten veden yläpinta voi jäähtyä alle 4 ° C: seen ja sitten jäätyä.

Sen lisäksi, että itse vesi on jäähdytettävä 4 ° C: seen ennen jäätymisen aloittamista, vesi- myös lampin alla oleva kyllästetty maa on jäähdytettävä. Siihen asti lämpimämpi maa siirtää lämpöä lampeen ja estää sen jäätymisestä.

Kuinka kauan ennen kuin vesistö alkaa ensin jäätyä, riippuu useista parametreista. Näitä ovat vesimuodostuman koko ja syvyys, vesimuodostuman alla olevan maan luonne, kylmään säähän johtava sää ja tuulisuus. Kysymyksessä ei mainita lammen syvyyttä, mutta se on ollut vain alle 24 tuntia pakkasessa Missourin osavaltiossa sijaitsevassa O ”fallonissa, ja lämpötilat olivat ennen sitä olleet varsin epämääräisiä. enemmän kuin tarpeeksi aikaa jäätyä pieni lätäkkö, mutta ei varmasti järvi, eikä luultavasti edes lampi.

Kysymyksessä mainitaan myös, että se on tuulinen. Jotta vesimuodos jäätyy, se tarvitsee viileämmän vesikerroksen 4 ° C: n lämpötilan yläpuolella. Tuulet pitävät veden hyvin sekoitettuna.

kommentit

• kiitos. Hyväksyn tämän vastauksen, jos voisin hyväksyä kaksi!
• +1 tämä on oikea vastaus. Kahdessa ensimmäisessä kappaleessa kuvattua prosessia kutsutaan konvektioksi .
• Varmasti jäätymispisteen lähellä oleva vesi on vähemmän tiheää ja siksi nousee huipulle (ilman muita vaikutuksia)?
• ” nestemäinen vesi hyvin lähellä jäätymispistettä on vähemmän tiheää kuin hieman lämpimämpää vettä. Tuo erittäin viileä vesi uppoaa. ” Kuten edellä todettiin, viileä vesi (< 4C) nousee eikä uppoaa. Tämä eristää sitten alla olevan lämpimämmän veden tuulen jäähdytysvaikutuksesta.
• @VinceO ’ Sullivan – Ei välttämättä. ’ on ilmiö pohjoisissa järvissä, jota kutsutaan pudotukseksi. Kun järvi on jäähtynyt lähes yhtenäiseen 4 ° C: n lämpötilaan, tuulet voivat saada koko järven sekoittumaan. Tämä on lampi, joten liikevaihto ’ ei ole niin suuri – elleivät tuulet ole kovia ja kestäviä. Äskettäin O ’ fallon MO: n läpi puhaltanut kylmä rintama toi voimakkaita, jatkuvia tuulia luoteesta lauantain keskipäivästä (kun lämpötila laski ensin pakkasen alle) sunnuntaihin klo 16 asti.

-konvektiosta johtuen (kylmä vesi uppoaa, kun lämmin vesi nousee) , koko lampi on saatettava melkein pakkasen lämpötilaan ennen kuin pinta voi jäätyä. Vain lammen yläosan ollessa kosketuksessa kylmän ilman kanssa tämä kestää kauan.

‍ ‍ Lisäksi maa (jota ei jäähdytä konvektiolla) kestää vielä kauemmin jäähtyä, mikä tarkoittaa, että maa lämmittää lammen pohjaa. Lämmin vesi nousee huipulle pidentäen jäätymisprosessia.

Vie aikaa, ennen kuin asiat jäätyvät. Edellä mainitut olosuhteet aiheuttavat lammen jäätymisen hitaasti, mutta jos ilma pysyisi pakkasen alapuolella ikuisesti, lopulta koko lampi jäätyy (aloittaen ylimmästä kerroksesta ja työskennellessään alaspäin – kun yläosa muuttuu jääksi se ei enää uppoaa, koska jäällä on pienempi tiheys kuin vedellä ) .

Siksi, jos matkustat pohjoiseen Minnesotaan Jos pilkkiminen on yleistä, he kertovat, että sään on oltava (enimmäkseen) pakkasen alapuolella viikkoja ennen kuin järvelle on turvallista kävellä / ajaa.

Lammessa oleva vesi on kosketuksessa maan kanssa eikä maa ole edes lähellä jäätymistä, vaikka ilman lämpötila on 27 ° C pakkasen alapuolella.

Kommentit

• Täällä heitetään paljon tiedettä, mutta yksinkertainen vastaus on, että maa on edelleen liian lämmin. Jos maa on jäätynyt lammen pohjan ohi, niin voimme päästä kaikkeen tähän superjäähdytettyyn jään ytimen ammattikieleen.
• @ BlueRaja-DannyPflughoeft, sinä ’ on ehdottomasti oikea. Tein vastaukseni mahdollisimman yksinkertaiseksi.

Tämä voi johtua siitä, että ilma jäähtyy ja lämpenee nopeammin. kuin vesi. Ilman ominaislämpö on pienempi kuin vedellä. Vesi voi jäätyä jonkin aikaa.

Kukaan ei ole vielä maininnut kalaa. Onko sinulla lampia tai muita eläimiä? Paitsi että ne lämmittävät vain vähän, niiden liike auttaa estämään jään muodostumista.

Kommentit

• Kyllä, se sisältää kalaa! 🙂

Muuttuja, joka sinun on otettava huomioon ongelman ymmärtämiseksi, on lammen syvyys. Lyön vetoa, että toisin kuin lampi, matalat lätkät jäätivät.

Vesi on tiheämpää 4 ° C: ssa, joten pinnan jäädyttämiseksi sinun on jäähdytettävä koko lampi 4 ° C: seen. , kun veden pinta jäähtyy 4 ° C: seen, se uppoaa ja korvataan lämpimällä vedellä alhaalta, sitten jos tämä vesi jäähdytetään 4 ° C: seen, se uppoaa jälleen ja korvataan lämpimällä vedellä jne. Vasta kun koko lampi on 4 ° C: ssa, pinnan vesi voi jäähtyä tämän lämpötilan alapuolelle ja olla silti kevyempi kuin alla oleva vesi, joten se pysyisi pinnalla ja voi jäähtyä, kunnes se jäätyy tuottaen kerroksen pintajäätä.

Seuraava kuva tästä kysymyksestä julkaisussa ”Tiedekysymykset yllättävillä vastauksilla” näyttää lämpimän lammen lämpötilarakenteiden erot (kesähahmo), ja yksi tarpeeksi kylmä aloittaakseen pintajääkuoren muodostumisen (talvikuva).

Koko vesimuodostuman jäähdyttämiseen tarvittava aika on sitten verrannollinen syvyyteen. Matalat vesimuodostumat jäätyvät helpommin, ja syvät vesimuodostumat edellyttävät pitkiä pakkasen alle jäädytetyn kuoren muodostumista.

Caseyn hyväksymän vastauksen lisäksi on todennäköistä, että aurinko lämmittää lampia päivän aikana enemmän kuin se lämmittää tarjoamiesi lämpötilalukemien lämpömittaria, koska lämpömittareita pidetään Stevenson-näyttö .

Kommentit

• Jos maa lämmittää vettä, tiivistymisen tulisi tapahtua nousee vedestä.Ota lämpötilaluku lampista ja lisää se kysymykseesi.

Puhdas vesi jäätyy 0 ° C: ssa (32 ° F), ja puhdasta vettä on yleensä harvoin lammikoista ja muista avoimista vesimuodoista. Kun epäpuhtaudet sekoittuvat veteen, sen jäätymispiste laskee.

Kommentit

• lammet ovat makean vesimuodostuman. Suolainen merivesi jäätyy noin -2 ° C: seen, joten vaikutus makean veden kohdalla on vähäinen.

Lammen tai muun vesimuodostuman jäätyminen kestää ja kuinka kauan riippuu useista tekijöistä. Ilmanpaine, TDS (kokonaisliuenneiden kiintoaineiden tai suolojen kokonaismäärä), itse veden liike ja ympäröivän ympäristön lämpötila.

Ilmanpaine – enimmäkseen korkeuden funktio, ilman paine vaikuttaa paineeseen vedestä korkeamman paineen alaisena, jolloin jäätyminen edellyttää alhaisempia lämpötiloja. https://physics.stackexchange.com/questions/60170/freezing-point-of-water-with-respect-to-pressure

TDS – Liuenneiden kiintoaineiden, enimmäkseen suolojen ja muiden ionien, kokonaismäärä alentaa jäätymispistettä vettä pisteeseen asti ja riippuen erityisistä kemikaaleista ja liuenneesta pitoisuudesta. Makean veden lammikoissa tämä ei todennäköisesti tarkoita yli 1 tai 2 asteen eroa. https://www.troublefreepool.com/threads/17456-Quantifying-TDS-constituents-affect-on-freezing-point-of-H20

Veden liike. Liikkuvalla vedellä on taipumusta estää jääkiteiden muodostumista ja viivästyttää jäätymistä. https://www.physicsforums.com/threads/temperature-needed-to-freeze-moving-water.515414/

Ympäristön lämpötila. Yleensä ulkoveden, kuten lampien ja järvien, kanssa vesimuodostuman alla oleva maa pysyy lähellä vuotuista keskilämpötilaa. Lammikon yläpuolella olevan ilman on poistettava lampista tarpeeksi lämpöä kaikkien näiden tekijöiden voittamiseksi.

Vedellä on myös ainutlaatuinen (?) Ominaisuus, jonka tiheys pienenee jäätymisen aikana.Tämä tarkoittaa, että muodostuva jää muodostuu pinnalle, jolla vesi yleensä aluksi on lämpimämpää. Lammikon nestemäisessä osassa konvektio tuo lämpöä maasta lampin alla pintaan, mikä viivästyttää jään muodostumista. Kylmälle vedelle, joka liikkuu pohjan alapuolella, kohdistuu lisääntyvää painetta, laske sen jäätymispiste, niin että vaikka se palauttaakin jäätymispisteen pinnalle, se ei jääty, kun se liikkuu alas kohti lämmintä maata.

Kaiken tämän nettovaikutuksena on, että koko vesimuodostuman on saavutettava jäätymispiste ennen kuin jää voi muodostua. Mitä syvempi lampi / järvi, sitä kauemmin se kestää, eikä riittävän syvä vesistö koskaan jääty täysin normaaleissa maaolosuhteissa. Jääkerroksen muodostuessa pintaan se eristää sen alapuolella olevan veden vähentäen lämmön määrää, jonka ilma voi poistaa, mutta jäätä ei muodostu lammen pohjaan, joten se saa edelleen lämpöä maasta. Joten lampi ei koskaan jääty täysin, jos se on tarpeeksi syvä ja talvi tarpeeksi lyhyt.

Lammesi vettä on jäätymisen alapuolelle. Veden lämmön siirtyminen ympäristöön vie aikaa. Veden alla oleva maa ei todennäköisesti ole myöskään pakkasen alapuolella, joten se siirtää lämpöä veteen samanaikaisesti. Tarkasteltaessa kyseisen ajankohdan lämpötilahistoriaa kaikkien ympäröivien päivien korkeat lämpötilat olivat pakkasen yläpuolella ja keskilämpötilat olivat lähellä tai jopa jäätymistä korkeammat . Se vie yli päivän, ennen kuin suuri määrä vettä menettää niin paljon lämpöä ympäristöön, kun se on joka tapauksessa lähellä kyseistä lämpötilaa.

Voit tehdä oman kokeilun saadaksesi erikokoisia vesipulloja ja nähdäksesi kuinka kauan jokaisen jäätyminen kestää samoissa olosuhteissa. Veden tilan muuttaminen nestemäisestä kiinteäksi kestää paljon enemmän energiahäviöitä. 4200 J / litra / aste (C) veden lämpötilan muuttamiseksi, 333 000 J kiteyttämään litra vettä. Joten lampi jäädytetään kokonaan, sen ympäristön on absorboitava sama määrä energiaa kuin lämpötilan laskeminen lähes 80 celsiusastetta vie.

Ilman lämpötila on 5 astetta. Veden lämpötila ei ole. Samasta syystä keittoastia tai kahvikuppi pysyy huoneen lämpötilaa kuumempana jonkin aikaa, ennen kuin se jäähtyy huoneenlämpötilaan. Ota tuo kulho tai kuppi ja laajenna se järven kokoon.

Mieti, kuinka kuumaksi kompostipino voi tulla (tarpeeksi kuuma syttyä palamaan). Juuri näin tapahtuu lammen pohjassa pidemmän ajanjakson aikana, kun kesän hajoava aine hajoaa kuten metaanikeittimessä.

Myös yläosan reunojen ympärille muodostuva jää (ja lumi) toimii eristeenä. Ja koska jää kelluu, se luo negatiivisen palautesyklin jäähdytyksen suhteen, minkä vuoksi monet järvet jäätyvät päälle, mutta pysyvät nestemäisinä alapuolella jääkerros (bioottisen lämmöntuotannon lisäksi).