Miért nem fagy meg a kertemben a tó, ha kint -15 ° C (5 ° F)?

A víz 0 ° C-on (32 ° F) megolvad, de a fagyasztás bonyolultabb ügy. Nyugodtan mondhatjuk, hogy a víz 0 ° C-on megdermed, de sokkal hűvösebb lehet, mielőtt ténylegesen túlhűtött vizet eredményezne. megfelelő jégmagok bevezetésekor az állapot gyorsan megszilárdulhat. Például konvektív felhőkben folyékony víz figyelhető meg akár -40 ° C hőmérsékleten is. A tó vize azonban nem túlhűtött.

Azt mondod, hogy a levegő 5 ° F, de milyen a víz hőmérséklete (valószínűleg 0 ° C fölött)? Végül a víz az fagypont alatt kell lennie ahhoz, hogy jég keletkezzen. Milyen mély a tó a kertben? A víz a levegőhöz képest sokkal jobban képes megtartani a hőt, és minél nagyobb a vízmennyiség, annál inkább hőtároló van Maga a fagyás egzoterm folyamat, és a jégképződés felmelegíti a környező vizet. A tó valószínűleg nem tiszta víz, és tele van ionokkal (pl. sókkal), amelyeket felszedett a földről, ami csökkenti a víz olvadáspontját. Mindezen hatások megnehezítik a tavi víz tényleges megfagyását, és megmagyarázhatják, mit lát.

Ezek közül a víz hőteljesítménye és a tó alatti talaj hőmérséklete. valószínűleg a tó alatt van a talaj és ez is egy hőtároló valószínűleg melegebbek, mint a víz olvadáspontja, annak ellenére, hogy a levegő hőmérséklete sokkal hidegebb. Ha egy folyadékot felülről hűtenek, a hideg folyadék az alja felé süllyed. Ha egy folyadékot alulról melegítenek, a meleg folyadék felemelkedik. Ezek közül csak az egyiknek kell megtörténnie a konvekció megkezdéséhez, de valószínű, hogy a tó alatti talaj melegebb, mint a tó, és mind a meleg talaj, mind a hűvös levegő meghajtja a konvekciót a tóban. Ez viszont azt jelenti, hogy a tó jól összekeveredett, és elegendő energiát kell kinyernie a rendszerből, hogy az egész vizet lehűtse, és a tó alatti talajt lehűtse, hogy a jégnek esélye legyen a felszínre. Időbe telik (napok / hetek nagyságrendjében) a folyamatos fagypont alatti léghőmérséklet elérése. Sokkal könnyebben fogod megfagyasztani a tavadat, mint egy nagy tó, de ez mégsem lesz egyik napról a másikra zajló folyamat.

Kommentárok

• Ez egy pár láb. Elfogadtam ezt a bc-t. Tetszik, hogy hány lehetőséget hoz a válaszába.
• -1 (ha tehetném), úgy tűnik, ez a válasz a szívószálakon ragad. Egy tavat biztosan nem fognak túlhűteni; a vízben lévő só nem fogja a fagyási hőmérsékletet 5 ° F alá csökkenteni; és a szél olyan kevés energiát ad hozzá, hogy ‘ nem is említésre méltó.
• Az egyetlen dolog, amit most megtehet, az, hogy megragadja a szívószálakat, de a tény, hogy a tó nem fagyott be. Nem ‘ nem feltételezed, hogy a casey megy, és visszakeres egy mintát?
• Valójában a hőkapacitás és az alaphőmérséklet a felelős. Nappal természetesen hozzájárul a napfénytől hozzáadott energia is. Ha ez a tó egy-két napig 5 F-on ül, akkor a felszíne szinte biztosan megfagy (bár a jég valószínűleg nem lenne nagyon vastag, hacsak nem maradna ennél a hidegnél sokkal tovább.) ‘ érdemes megjegyezni, hogy a hőmérséklet szezonálisan magas volt egy nappal azelőtt, hogy meghűlt, ezért a talaj és a víz még mindig nagyon meleg volt.
• A szél megakadályozza egy ideig szilárd anyagként történő fagyást is azáltal, hogy megszakítja a keverés közben keletkező ” bőrt “. Gondolj egy fagylaltkészítőre – végül a folyadék megfagy, de jóval az összetevők fagypontja alá kerülhet, mert a mozgás megakadályozza a jégkristályok növekedését. Lehet, hogy kevés bit lebeg fagyott körül, de ezek hajlamosabbak más módszerekkel történő megsemmisítésre.

A víz meglehetősen furcsa anyag. A legtöbb anyagnál a szilárd fázis sűrűbb, mint a folyékony fázis. A víz esetében ez nem így van. A jég kevésbé sűrű, mint a folyékony víz. Ennek a hatásnak az a mellékhatása, hogy a fagyáspont közelében lévő folyékony víz kevésbé sűrű, mint a kissé melegebb víz. Ez a nagyon hűvös víz elsüllyed.

A folyékony édesvíz maximális sűrűségét 4 ° C (40 ° F) hőmérsékleten éri el. Ez azt jelenti, hogy egy tó vagy tó nem fagyhat le, amíg az egész víztest 4 ° C-ra nem hűl. Csak ezután lehűlhet a víz felső felülete 4 ° C alá, majd végül megfagyhat.

Amellett, hogy magát a vizet 4 ° C-ra kell hűteni a fagyás megkezdése előtt, a víz a tó alatti telített talajt is le kell hűteni. Addig ez a melegebb talaj átviszi a hőt a tóba, és megakadályozza, hogy megfagyjon.

Számos paramétertől függ, hogy mennyi időbe telik, amíg egy víztömeg először megdermed. Ide tartozik a víztest nagysága és mélysége, a víztest alatti talaj jellege, a hideg időjárásig tartó időjárás és a szél. A kérdés nem említi a tó mélységét, de csak kb. 24 órán át volt fagypont alatt Missouriban, O-fallonban, és a hőmérsékletek ezt megelőzően meglehetősen balzsamosak voltak. Ez a 24 órás fagypont alatti időjárás több mint elegendő idő egy kis tócsa befagyasztására, de természetesen nem egy tó, és valószínűleg még egy tó sem.

A kérdés megemlíti azt is, hogy szeles. Ahhoz, hogy egy víztömeg lefagyjon, hűvösebb vízrétegre van szüksége a 4 ° C-os termoklin tetején. A szél a víz keveredése érdekében hat.

Megjegyzések

• Köszönöm. Ezt a választ elfogadnám, ha kettőt is elfogadnék!
• +1 ez a helyes válasz. Az első két bekezdésben leírt folyamatot úgy hívják, hogy konvekció .
• A fagypont közelében lévő víz bizonyára kevésbé sűrű és ezért emelkedik a csúcsra (egyéb hatások hiányában)?
• ” folyékony víz nagyon közel, a fagyáspont kevésbé sűrű, mint kissé melegebb víz. Ez a nagyon hűvös víz süllyed. ” Amint azt fentebb megfigyeltük, a hűvös víz (< 4C) nem süllyed. Ez aztán az alatta lévő melegebb vizet elszigeteli a szél hűtő hatásától.
• @VinceO ‘ Sullivan – Nem feltétlenül. ‘ az északi tavakban eséses forgalomnak nevezett jelenség. Miután a tó végig majdnem 4 ° C-os hőmérsékletre hűl, a szél a teljes tó keveredését okozhatja. Ez egy tó, így a forgalom nem lesz olyan magas – hacsak nem erős és tartós a szél. Az utóbbi időben az O ‘ fallon MO-n átfújt hidegfront erős, tartós szelet hozott északnyugat felől, szombat déltől (amikor a hőmérséklet először fagypont alá esett) vasárnap 16 óráig.

konvekció miatt (a hideg víz süllyed, miközben a meleg víz felemelkedik) , az egész tavat fagypont-közeli hőmérsékletre kell hozni, mielőtt a felület megfagyhat. Csak a tó teteje érintkezik a hideg levegővel, ez sokáig tart.

‍ ‍ Ezenkívül a talaj (amelyet nem konvekcióval hűtenek le) még hosszabb ideig tart a lehűlés, vagyis a talaj felmelegíti a tó alját. Ez a meleg víz a tetejére emelkedik, meghosszabbítva a fagyasztási folyamatot.

Időbe telik, amíg a dolgok megfagynak. A fenti körülmények miatt a tó lassan fagy, de ha a levegő örökké fagypont alatt maradna, akkor az egész tó átfagyna (kezdve a felső réteggel és lefelé haladva – amikor a teteje jéggé válik már nem süllyed, mert a jég kisebb sűrűségű, mint a víz ) .

Ez az oka annak, ha északra utazik Minnesotába ahol a jeges horgászat gyakori, akkor elmondják, hogy az időjárás hetekig (főleg) fagypont alatt van, mielőtt a tó biztonságosan járható vagy vezethető lenne.

A tóban lévő víz érintkezik a talajjal, és a talaj még a fagyhoz sem közelít, még akkor sem, ha a levegő hőmérséklete 27 ° fagypont alatt van.

Megjegyzések

• Nagyon sok tudomány dobódik itt körül, miközben az egyszerű válasz az, hogy a talaj még mindig túl meleg. Ha a talaj befagyott a tó fenekén túl, akkor bejuthatunk ebbe a szuperhűtött-jégmag-zsargonba.
• @ BlueRaja-DannyPflughoeft, te ‘ teljesen helytálló. Válaszomat a lehető legegyszerűbbé tettem.

Ennek oka lehet, mert a levegő gyorsabban hűl és melegszik. mint a víz. A levegő alacsonyabb fajlagos hővel , mint a víz. Időbe telhet, amíg a víz megfagy.

Még senki nem említett halat. Van hal vagy más állat a tóban? Nem csak kis melegítést biztosítanak, hanem mozgásuk is segít megelőzni a jégképződést.

Megjegyzések

• Igen, halakat tartalmaz! 🙂

Az a változó, amelyet a probléma megértéséhez figyelembe kell venni, a tó mélysége. Fogadok, hogy a tavaddal ellentétben a sekély tócsák megfagytak.

A víz 4 ° C-on sűrűbb, ezért a felület befagyasztásához az egész tavat 4 ° C-ra kell lehűteni. , amikor a felszínen lévő víz 4 ° C-ra hűl le, süllyedne, és alulról melegebb vízzel helyettesítené, majd ha ez a víz lehűl 4 ° C-ra, akkor újra süllyed és helyébe melegebb víz lép, és így tovább Csak akkor, ha az egész tó 4 ° C-on van, a felszínen lévő víz lehűlhet ennél a hőmérséklet alatt, és még mindig könnyebb lehet, mint az alatta lévő víz, ezért a felszínen marad, és addig hűlhet, amíg meg nem fagy, így egy réteget hoz létre a felszíni jég.

A következő ábra e kérdésből a “Tudományos kérdések meglepő válaszokkal” címen mutatja be a meleg tó hőmérsékleti rétegződésbeli különbségeit (nyári ábra), és egy éppen elég hideg ahhoz, hogy elinduljon egy felszíni jégkéreg (téli ábra).

A teljes víztest lehűléséhez szükséges idő arányos a mélységgel. A sekély víztestek könnyebben befagynak, a mélyeknél pedig fagypont alatti hőmérsékleti időtartamokra van szükség, hogy fagyott kéreg keletkezzen.

Casey által elfogadott válasz mellett valószínű, hogy a nap egy nap alatt jobban melegíti a tavat, mint felmelegíti az általad idézett hőmérsékleti mérésekhez használt hőmérőt, mivel a hőmérőket egy Stevenson Screen .

Megjegyzések

• Ha a talaj melegíti a vizet, a páralecsapódásnak kelj fel a vízből. Vegyünk egy hőmérsékleti értéket a tóból, és tegyük fel kérdéséhez.

A tiszta víz 0 ° C-on fagy meg, és legtöbbször tiszta vizet ritkán találnak tavakban és más nyílt víztestekben. Amikor a szennyeződések vízbe keverednek, a fagyáspontja csökken.

Megjegyzések

• a tavak édesvíztestek. A sós tengervíz körülbelül -2 ° C-ra fagy, ezért a hatás az édesvíz esetében elhanyagolható lesz.

Számos tényezőtől függ, hogy egy tó vagy más víztömeg fagyása mennyi ideig tart. Légnyomás, TDS (összes oldott szilárd anyag vagy só), maga a víz mozgása és a környező környezet hőmérséklete.

Légnyomás – Többnyire a magasság függvénye, a levegő nyomása befolyásolja a nyomást A víz nagyobb nyomáson, alacsonyabb hőmérsékletű fagyáshoz szükséges. https://physics.stackexchange.com/questions/60170/freezing-point-of-water-with-respect-to-pressure

TDS – Az összes oldott szilárd anyag, főleg sók és egyéb ionok csökkentik a fagyáspontot víz egy pontig és az adott vegyi anyagtól és az oldott koncentrációtól függően. Az édesvízi tavakban ez aligha jelent 1 vagy 2 foknál nagyobb különbséget. https://www.troublefreepool.com/threads/17456-Quantifying-TDS-constituents-affect-on-freezing-point-of-H20

A víz mozgása. A mozgó víz általában gátolja a jégkristályok képződését és késlelteti a fagyást. https://www.physicsforums.com/threads/temperature-needed-to-freeze-moving-water.515414/

A környező környezet hőmérséklete. Általában kültéri vízzel, mint tavak és tavak, a víztest alatt a talaj az éves átlagos hőmérséklet közelében marad. A tó feletti levegőnek elegendő hőt kell eltávolítania a tóból ahhoz, hogy ezeket a tényezőket legyőzze.

A víznek egyedülálló (?) Tulajdonsága is, hogy megfagyva csökken a sűrűsége.Ez azt jelenti, hogy a képződő jég azon a felszínen képződik, ahol a víz kezdetben melegebb lesz. A tó folyékony részében a konvekció a tó alatti földből a hőt a felszínre hozza, ami késlelteti a jégképződést. A fenekén lefelé haladó hideg víz növekvő nyomásnak van kitéve, csökkenti a fagyáspontját, így ha a felszínen lévő fagyáspontot is visszahozza, akkor sem fagy meg, amikor lefelé mozog a meleg föld felé.

Mindennek nettó hatása az, hogy az egész víztestnek el kell érnie a fagyáspontot, mielőtt jég képződhet. Minél mélyebb a tó / tó, annál tovább tart, és az elég mély víztömeg normál földi körülmények között soha nem fog teljesen megfagyni. Amint a jégréteg a felszínen képződik, az alatta lévő víz szigetelésére szolgál, csökkentve a levegő által eltávolítható hő mennyiségét, de a jég nem képződik a tó fenekén, így továbbra is hőt kap a földből. Tehát a tó soha nem fagy le teljesen, ha elég mély és a tél elég rövid.

A tavában lévő víz fagypont alá csökken. Időbe telik, amíg a víz hője átjut a környezetbe. A víz alatti talaj valószínűleg nem is fagypont alatt van, így egyidejűleg a hőt is átadja a víznek. A szóban forgó időszakra vonatkozó hőmérsékleti előzményeket nézve a környező összes nap magas hőmérséklete fagypont fölött volt, és az átlagos hőmérséklet is fagypont közelében volt vagy magasabb volt. . Több mint egy napba telik, amíg nagy mennyiségű víz elveszíti ennyi hőjét a környezetnek, amikor az egyébként is ennek a hőmérsékletnek a közelében van.

Megteheti saját kísérletét, hogy különböző méretű palackok vizet kapjon, és megnézze, hogyan hosszú ideig tart, amíg mindegyik megfagy, ugyanolyan körülmények között. Sokkal több energiaveszteség szükséges ahhoz, hogy a víz állapotát folyékonyból szilárdvá változtassuk. 4200 J / liter / fok (C) a víz hőmérsékletének megváltoztatására, 333 000 J egy liter víz kristályosítására. Tehát a tó teljes befagyásához a környezetének ugyanannyi energiát kell felszívnia, mint amennyi a közel 80 Celsius fokos hőmérséklet csökkentéséhez szükséges.

A levegő hőmérséklete 5 fok. A víz hőmérséklete nem megfelelő. Ugyanez az oka annak, hogy egy tál leves vagy egy csésze kávé egy ideig a szobahőmérsékletnél melegebb marad, mielőtt szobahőmérsékletre hűlne. azt a tálat vagy csészét, és tágítsa ki egy tó méretére.

Gondoljon arra, hogy egy komposzthalom mennyire forró lehet (elég forró ahhoz, hogy meggyulladjon). Alapvetően ez történik a tó fenekén hosszabb ideig, mivel a nyár bomló anyaga úgy bomlik le, mint egy metánemésztőben.

Emellett a a tetején a szélek körül képződő jég (és hó) szigetelőként működik, és mivel a jég lebeg, negatív visszacsatolási ciklust hoz létre a hűtés tekintetében, ezért sok tó fagy le tetején, de alatta folyékony marad a jégréteg (a biotikus hőtermelés mellett).