내 뒤뜰의 연못이 바깥 쪽이 -15 ° C (5 ° F)인데 왜 얼지 않나요?

물은 0 ° C (32 ° F)에서 녹지 만 냉동은 더 복잡한 문제입니다. 물은 0 ° C에서 냉동 할 수있는 능력을 얻지 만 실제로 그렇게되기 전에 훨씬 더 차가워 져서 과냉각 된 물이 될 수 있다고 말하는 것이 안전합니다. 적절한 얼음 핵이 도입되면 상태가 빠르게 응고 될 수 있습니다. 예를 들어, 대류 구름에서 액체 물은 -40 ° C의 낮은 온도에서 관찰 될 수 있습니다. 그러나 연못의 물은 과냉각되지 않습니다.

공기가 5 ° F라고 말하지만 물의 온도는 얼마입니까 (아마도 0 ° C 이상)? 궁극적으로 물은 얼음이 형성 되려면 빙점 이하가되어야합니다. 뒷마당의 연못은 얼마나 깊습니까? 물은 공기에 비해 열을 유지하는 능력이 훨씬 뛰어나고 물의 양이 클수록 더 많은 열 저장소가 있습니다. 얼어 붙는 자체는 발열 과정이며 얼음 형성은 주변 물을 가열합니다. 연못은 아마도 순수한 물이 아니고 물의 녹는 점을 낮추는 이온 (예 : 소금)으로 가득 차 있습니다. 이러한 모든 효과는 연못의 물이 실제로 얼기 어렵게 만들고보고있는 내용을 설명 할 수 있습니다.

이러한 효과 중 물의 열용량과 연못 밑에있는 땅의 온도는 웅덩이 아래에는 땅이 있고 그것 역시 열 저장고입니다. B 공기 온도가 훨씬 더 낮더라도 물의 녹는 점보다 따뜻할 것입니다. 유체가 위에서 냉각되면 냉각 유체가 바닥으로 가라 앉습니다. 액체가 아래에서 따뜻해지면 따뜻한 액체가 올라갑니다. 대류를 시작하려면이 중 하나만 발생하면되지만 연못 아래의 땅이 연못보다 따뜻할 가능성이 높으며 따뜻한 땅과 시원한 공기가 모두 연못에서 대류를 유발할 것입니다. 이것은 차례로 연못이 잘 섞여 있음을 의미하며 모든 물을 식히고 연못 아래의 땅을 식혀서 표면에 얼음이 형성 될 수 있도록 시스템에서 충분한 에너지를 추출해야합니다. 이 작업을 수행하려면 지속적으로 동결되는 기온의 시간 (일 / 주 단위)이 필요합니다. 큰 호수보다 연못을 얼리는 것이 훨씬 쉬울 것이지만 여전히 하룻밤 사이에 처리되지는 않습니다.

댓글

• 몇 피트입니다. 나는이 BC를 받아 들였다. 나는 당신이 당신의 대답에 얼마나 많은 가능성을 가져 오는지 좋아한다.
• -1 (내가 할 수 있다면),이 대답은 빨대를 잡는 것처럼 보인다. 연못은 확실히 과냉각되지 않을 것입니다. 물 속의 소금은 빙점 온도를 5 ° F 이하로 만들지 않습니다. 바람은 에너지를 거의 추가하지 않아 ‘ 언급 할 가치도 없습니다.
• 지금 할 수있는 일은 빨대를 잡는 것뿐입니다. 연못이 얼지 않았다는 사실이 남아 있습니다. 당신은 ‘ 케이시가 샘플을 회수한다고 가정하지 않습니까?
• 실제로이 문제의 대부분을 차지하는 것은 열용량과지면 온도입니다. 물론 낮에는 햇빛에서 추가 된 에너지도 기여합니다. 그 연못이 하루나 이틀 동안 5F에 있으면 표면이 거의 확실히 얼어 붙을 것입니다 (얼음이 훨씬 더 차갑게 유지되지 않는 한 ‘ 얼음이 매우 두껍지 않을 것입니다.) ‘이 추위가 오기 전날 기온이 비 계절적으로 높았 기 때문에 땅과 물은 여전히 꽤 따뜻했습니다.
• 바람 통 또한 교반을 통해 형성되는 ” 피부 “를 방해하여 일정 시간 동안 고체로 얼지 않도록합니다. 아이스크림 메이커를 생각해보십시오. 결국 액체는 얼지 만 움직임이 얼음 결정이 많이 자라는 것을 막기 때문에 재료의 빙점 이하로 떨어질 수 있습니다. 고정 된 주변에 약간의 부분이 떠있을 수 있지만 다른 방법에 의해 파괴되기 쉽습니다.

물은 다소 이상한 물질입니다. 대부분의 물질에서 고체상은 액체상보다 밀도가 높습니다. 이것은 물의 경우가 아닙니다. 얼음은 액체 물보다 밀도가 낮습니다. 이 효과의 부작용은 빙점에 매우 가까운 액체 물이 약간 따뜻한 물보다 밀도가 낮다는 것입니다. 매우 차가운 물이 가라 앉습니다.

액체 담수는 4 ° C (40 ° F)의 온도에서 최대 밀도를 달성합니다. 이것은 물 전체가 4 ° C로 냉각 될 때까지 연못이나 호수가 얼지 않는다는 것을 의미합니다. 그래야만 물의 윗면이 4 ° C 이하로 식은 다음 결국 얼어 붙을 수 있습니다.

물 자체를 4 ° C로 식혀 야 냉동이 시작될 수 있습니다. 웅덩이 아래의 포화 된 땅도 식혀 야합니다. 그때까지 따뜻한 땅은 연못으로 열을 전달하여 얼지 않도록합니다.

물이 처음 얼기 시작하는 데 걸리는 시간은 여러 매개 변수에 따라 다릅니다. 여기에는 수역의 크기와 깊이, 수역 아래의 땅의 특성, 추운 날씨로 이어지는 날씨 및 바람이 불고 있습니다. 이 질문은 연못의 깊이에 대해서는 언급하지 않지만 미주리 주 오팔 론에서 약 24 시간 동안 영하에 머물렀고 그 이전에는 기온이 상당히 상쾌했습니다. 그 24 시간의 영하 날씨는 다음과 같습니다. 작은 웅덩이를 얼리기에 충분한 시간 이상이지만 확실히 호수는 아니고 아마도 연못도 아닐 것입니다.

이 질문은 바람이 많이 붑니 다. 물이 얼기 위해서는 4 ° C 서모 클라인 위에 더 차가운 물 층이 필요합니다. 바람은 물이 잘 섞이도 록 작용합니다.

댓글

• 감사합니다. 두 개만 받아 들일 수 있다면이 대답을 받아 들일 것입니다!
• +1 이것이 정답입니다. 처음 두 단락에 설명 된 과정을 대류 라고합니다.
• 물론 빙점에 가까운 물은 밀도가 낮으므로 (다른 효과가없는 경우) 위로 올라가나요?
• ” 어는점이 매우 가까운 액체 물은 약간 더 따뜻한 것보다 밀도가 낮습니다. 물. 아주 시원한 물이 가라 앉습니다. ” 위에서 관찰 한 것처럼 차가운 물 (< 4C)은 가라 앉지 않고 올라갑니다. 그런 다음 바람의 냉각 효과로부터 아래의 따뜻한 물을 차단합니다.
• @VinceO ‘ Sullivan-반드시 그런 것은 아닙니다. ‘ 북부 호수에서 가을 회전율이라는 현상이 있습니다. 호수가 전체적으로 거의 균일 한 4C 온도로 냉각되면 바람으로 전체 호수가 섞일 수 있습니다. 이것은 연못이므로 바람이 강하고 지속되지 않는 한 회전율이 ‘ 그다지 높지 않습니다. 최근 O ‘ 폴론 MO를 통과 한 한랭 전선은 토요일 정오부터 일요일 오후 4 시까 지 북서쪽에서 강하고 지속적인 바람을 불러 왔습니다.

대류 (따뜻한 물이 상승하는 동안 찬물이 가라 앉음) , 전체 연못은 표면이 얼기 전에 거의 얼어 붙는 온도로 가져와야합니다. 연못의 꼭대기 만 차가운 공기와 접촉하기 때문에 시간이 오래 걸립니다.

‍ ‍ 또한 땅 (대류에 의해 냉각되지 않음) 은 식히는 데 더 오래 걸리므로 땅이 연못 바닥을 따뜻하게 할 것입니다. 그 따뜻한 물이 위로 올라 오면 냉동 과정이 길어집니다.

물이 얼려면 시간이 걸립니다. 위의 조건으로 인해 연못이 서서히 얼지 만 공기가 계속 얼어 붙는 상태로 유지되면 결국 전체 연못이 (상단에서 시작하여 아래로 내려가는-상단이 얼음으로 변할 때) 얼게됩니다. 얼음은 물보다 밀도가 낮기 때문에 ) 더 이상 가라 앉지 않습니다.

이것이 바로 미네소타 북쪽으로 여행하는 이유입니다. 얼음 낚시가 흔한 곳에서는 호수가 걷거나 운전하기에 안전하기 전에 몇 주 동안 날씨가 (대부분) 영하로 유지되어야한다고 말합니다.

연못의 물이지면과 접촉하고 있으며지면이 얼어도 얼지 않습니다. 기온은 영하 27 °입니다.

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• 많은 과학이 여기에 던져지고 있지만 간단한 대답은 땅도 여전히 남아 있다는 것입니다. 따뜻한. 땅이 연못 바닥을지나 얼어 붙으면 그런 다음 모든 초 냉각 얼음 핵 전문 용어를 알아볼 수 있습니다.
• @ BlueRaja-DannyPflughoeft, 당신 ‘ 정확합니다. 가능한 한 간단하게 대답했습니다.

공기가 더 빨리 식고 가열되기 때문일 수 있습니다. 물보다. 공기는 물보다 비열 이 낮습니다. 물이 얼기까지 다소 시간이 걸릴 수 있습니다.

아직 아무도 물고기에 대해 언급하지 않았습니다. 연못에 물고기 나 다른 동물이 있습니까? 약간의 온난화를 제공 할뿐만 아니라 움직임이 얼음 형성을 방지하는 데 도움이됩니다.

댓글

• 예, 물고기가 들어 있습니다! 🙂

문제를 이해하기 위해 고려해야 할 변수는 연못의 깊이입니다. 나는 당신의 연못과 달리 주위의 얕은 웅덩이가 얼었을 것이라고 확신합니다.

물은 4 ° C에서 더 밀도가 높기 때문에 표면을 얼리 기 위해서는 전체 연못을 4 ° C로 식혀 야합니다. , 표면의 물이 4 ° C로 식 으면 가라 앉고 아래에서 따뜻한 물로 대체되고, 그 물이 4 ° C로 식 으면 다시 가라 앉고 따뜻한 물로 대체됩니다. . 전체 연못이 4 ° C가되면 표면의 물은 그 온도 이하로 냉각 될 수 있으며 여전히 아래의 물보다 가벼워서 표면에 머무르고 얼어 붙을 때까지 냉각을 계속할 수 있습니다. 이 질문 의 “놀라운 답을 가진 과학 질문”의 다음 그림은 따뜻한 연못의 온도 계층화 차이를 보여줍니다. (여름 그림), 그리고 표면 얼음 지각 (겨울 모양)의 형성을 시작할 수있을 정도로 차가운 것입니다.

물 전체를 식히는 데 필요한 시간은 수심에 비례합니다. 얕은 수역은 더 쉽게 얼고, 깊은 수역은 얼어 붙은 지각을 생성하기 시작하기 위해 영하의 오랜 기간이 필요합니다.

Casey로부터 받아 들여진 답변 외에도 온도계가 스티븐슨 스크린 .

설명

• 지상이 물을 데우는 경우 결로 현상이 발생해야합니다. 연못에서 온도를 읽어 질문에 추가하세요.

순수는 0 ° C (32 ° F)에서 얼고 대부분의 경우 순수한 물은 연못 및 기타 개방 수역에서 거의 발견되지 않습니다. 불순물이 물에 섞이면 어는점이 떨어집니다.

설명

• 연못은 담수입니다. 염분 바닷물은 약 -2C에서 동결되므로 담수에서는 그 효과가 무시할 수 있습니다.

연못이나 다른 수역이 얼는 데 걸리는 시간과 시간은 여러 요인에 따라 다릅니다. 기압, TDS (총 용존 고형물 또는 염분), 물 자체의 움직임 및 주변 환경 온도.

기압-대부분 고도의 함수이며 공기의 압력이 압력에 영향을 미칩니다. 높은 압력의 물은 얼기 위해 더 낮은 온도를 필요로합니다. https://physics.stackexchange.com/questions/60170/freezing-point-of-water-with-respect-to-pressure

TDS-총 용존 고체 (대부분 염분 및 기타 이온)는 빙점을 낮 춥니 다. 특정 화학 물질과 용해 된 농도에 따라 담수 연못에서 이것은 1도 또는 2도 이상의 차이를 의미하지 않을 것입니다. https://www.troublefreepool.com/threads/17456-Quantifying-TDS-constituents-affect-on-freezing-point-of-H20

물의 움직임. 움직이는 물은 얼음 결정 형성을 억제하고 동결을 지연시키는 경향이 있습니다. https://www.physicsforums.com/threads/temperature-needed-to-freeze-moving-water.515414/

주변 환경의 온도. 일반적으로 연못과 호수와 같은 실외 물의 경우 수역 아래의 땅은 연평균 기온에 가깝게 유지됩니다. 연못 위의 공기는 이러한 모든 요소를 극복하기 위해 연못에서 충분한 열을 제거해야합니다.

물은 또한 얼면서 밀도가 감소하는 독특한 (?) 특성을 가지고 있습니다.이것은 형성되는 얼음이 처음부터 물이 더 따뜻해지는 경향이있는 표면에 형성된다는 것을 의미합니다. 연못의 액체 부분에서 대류는 연못 아래의 지구에서 표면으로 열을 가져와 얼음 형성을 지연시킵니다. 바닥까지 내려가는 냉수는 압력을 증가시켜 빙점을 낮추어 표면의 빙점을 다시 채운 후에도 따뜻한 땅으로 내려 가면서 얼지 않습니다.

이 모든 것의 순 효과는 얼음이 형성되기 전에 물 전체가 빙점에 도달해야한다는 것입니다. 연못 / 호수가 깊을수록 시간이 오래 걸리고 충분한 수역이 정상적인 지구 조건에서 완전히 얼지 않습니다. 얼음층이 표면에 형성되면 그 아래의 물을 단열하여 공기가 제거 할 수있는 열의 양을 줄입니다. 그러나 얼음은 연못 바닥에 형성되지 않으므로 계속해서 지구에서 열을받습니다. 따라서 연못은 충분히 깊고 겨울이 충분히 짧으면 완전히 얼지 않습니다.

연못의 물은 물의 열이 주변으로 전달되는 데는 시간이 걸립니다. 물 아래의 땅도 아마도 빙점 이하가 아니므로 동시에 열을 물에 전달합니다. 문제의 시간에 대한 기온 기록 을 살펴보면 주변의 모든 날의 최고 기온이 영하 이상이고 평균 기온도 영하에 가깝거나 높았습니다. . 어쨌든 그 온도에 가까워 질 때 많은 양의 물이 환경에 많은 열을 잃는 데는 하루 이상이 걸립니다.

다른 크기의 물병을 가져와 어떻게 확인하는지 직접 실험 할 수 있습니다. 동일한 조건에서 각각이 동결되는 데 오래 걸립니다. 물의 상태를 액체에서 고체로 바꾸려면 훨씬 더 많은 에너지 손실이 필요합니다. 물의 온도를 변경하려면 4200 J / liter / degree (C), 물 1 리터를 결정화하려면 333,000 J. 따라서 연못을 완전히 얼리려면 주변이 섭씨 80도에 가까운 온도를 낮추는 데 필요한 것과 동일한 양의 에너지를 흡수해야합니다.

공기 온도는 5 도입니다. 수온은 그렇지 않습니다. 같은 이유에서 수프 한 그릇이나 커피 한 잔은 실온으로 식히기 전에 한동안 실온보다 뜨겁습니다. 그 그릇이나 컵에 담아 호수 크기로 확장하세요.

퇴비 더미가 얼마나 뜨거울 수 있는지 생각해보세요. (불이 붙을 정도로 뜨거움) 여름의 썩은 물질이 메탄 소화조 에서처럼 분해되면서 기본적으로 연못 바닥에서 더 오랜 시간 동안 일어나는 현상입니다.

또한, 상단 가장자리 주변에 형성된 얼음 (및 눈)은 절연체 역할을합니다. 얼음이 뜨기 때문에 냉각과 관련하여 부정적인 피드백주기를 생성하기 때문에 많은 호수가 상단에서 얼지 만 아래에는 액체 상태로 남아 있습니다. 얼음층 (생물학적 열 생산에 추가)