Hvorfor er ikke dammen i hagen min frossen når den er -15 ° C (5 ° F) utenfor?

Vann smelter ved 0 ° C (32 ° F), men frysing er en mer komplisert affære. Det er trygt å si at vann får muligheten til å fryse ved 0 ° C, men det kan bli mye kjøligere før det faktisk gjør det, noe som resulterer i superkjølt vann. tilstanden raskt kan stivne når egnede iskjerner introduseres. I konvektive skyer kan for eksempel flytende vann observeres ved temperaturer så lave som -40 ° C. Vannet i dammen din er ikke superkjølt.

Du sier at luften er 5 ° F, men hva er temperaturen på vannet (sannsynligvis over 0 ° C)? Til slutt er det vannet som må være under frysepunktet for at isdannelse skal oppstå. Hvor dypt er dammen i hagen din? Vann, sammenlignet med luft, har en mye bedre evne til å beholde varmen og jo større volum vann, jo mer av et varmebeholder har du å takle. Å fryse i seg selv er en eksoterm prosess, og isdannelse vil varme opp det omkringliggende vannet. Dammen er sannsynligvis ikke rent vann og full av ioner (f.eks. salter) den har plukket opp fra bakken, noe som senker smeltepunktet for vann. Alle disse effektene gjør det vanskeligere for vann i dammen din å fryse og kan forklare hva du ser.

Av disse effektene er vannets varmekapasitet og temperaturen på bakken under dammen. er sannsynligvis de viktigste bidragsyterne. Under dammen er bakken og den er også et varmebeholder andre er sannsynligvis varmere enn smeltepunktet for vann, selv om lufttemperaturen er mye kaldere. Hvis en væske avkjøles ovenfra, synker den kule væsken mot bunnen. Hvis en væske varmes opp nedenfra, stiger den varme væsken. Bare en av disse må skje for å starte konveksjon, men det er sannsynlig at bakken under dammen er varmere enn dammen, og både den varme bakken og den kalde luften vil føre til konveksjon i dammen. Dette betyr igjen at dammen din er godt blandet, og at du må trekke ut nok energi fra systemet for å kjøle ned alt vannet og avkjøle bakken under dammen for å gi is muligheten til å danne seg på overflaten. Dette vil ta tid (i størrelsesorden dager / uker) med kontinuerlige temperaturer under frysepunktet. Du har mye lettere tid med å fryse dammen din enn en stor innsjø, men det vil fortsatt ikke være en prosess over natten.

Kommentarer

• Det er et par meter. Jeg godtok denne bc. Jeg liker hvor mange muligheter du tar med svaret ditt.
• -1 (hvis jeg kunne), dette svaret ser ut til å gripe tak i sugerør. En dam vil absolutt ikke bli superkjølt; saltet i vannet kommer ikke til å bringe frysetemperaturen under 5 ° F; og vinden vil legge til så lite energi at den ‘ ikke engang er verdt å nevne.
• Det eneste du kan gjøre akkurat nå er å gripe tak i sugerør, men faktum er at dammen ikke er frossen. Du antar ‘ t antar at casey går og henter en prøve, gjør du?
• Det er faktisk varmekapasiteten og bakketemperaturen som er mest ansvarlig for dette. På dagtid bidrar selvfølgelig også energi tilført fra sollys. Hvis dammen sitter ved 5 F i en dag eller to, vil overflaten nesten helt sikkert fryse (selv om isen sannsynligvis ikke ville ‘ ikke være veldig tykk med mindre den ble værende så kald lenger.) Det ‘ er verdt å merke seg at temperaturene var usannsynlig høye dagen før det ble kaldt, så bakken og vannet var fortsatt ganske varmt.
• Vindkanne forhindre også frysing som et fast stoff i noen tid ved å forstyrre » hud » som dannes ved omrøring. Tenk på en ismaker – til slutt fryser væsken, men den kan komme godt under ingrediensens frysepunkt fordi bevegelse holder iskrystaller i å vokse mye. Det kan være små biter som flyter rundt frosne, men disse vil være mer utsatt for ødeleggelse ved andre metoder.

Vann er et ganske rart stoff. For de fleste stoffer er den faste fasen tettere enn den flytende fasen. Dette er ikke tilfelle med vann. Is er mindre tett enn flytende vann. En bivirkning av denne effekten er at flytende vann veldig nært frysepunktet er mindre tett enn det er litt varmere vann. Det veldig kule vannet synker.

Flytende ferskvann oppnår maksimal tetthet ved en temperatur på 4 ° C (40 ° F). Dette betyr at en dam eller en innsjø ikke kan fryse før hele vannmengden er avkjølt til 4 ° C. Først da kan den øvre overflaten av vannet avkjøles til under 4 ° C, og deretter til slutt fryse.

I tillegg til at vannet i seg selv trenger å bli avkjølt til 4 ° C før frysing kan starte, vil vannet- mettet grunn under dammen må også kjøles ned. Inntil da vil den varmere bakken overføre varme til dammen og forhindre at den fryser.

Hvor lang tid det tar før en vannmasse først begynner å fryse, avhenger av en rekke parametere. Disse inkluderer størrelsen og dybden på vannmassen, jordens natur under vannmassen, været som fører opp til det kalde været og vind. Spørsmålet nevner ikke dypet i dammen, men det har bare vært under frysepunktet i O «fallon, Missouri i omtrent 24 timer, og temperaturene hadde vært ganske milde før det. Det 24 timers spekteret av underfrysing er mer enn nok tid til å fryse en liten sølepytt, men absolutt ikke en innsjø, og sannsynligvis ikke engang en dam.

Spørsmålet nevner også at det blåser. For at en vannmasse skal fryse, trenger den et kjøligere vannlag på 4 ° C termoklinen. Vind virker for å holde vannet godt blandet.

Kommentarer

• Takk. Jeg ville godta dette svaret hvis jeg kunne godta to!
• +1 dette er riktig svar. Prosessen beskrevet i de to første avsnittene kalles konveksjon .
• Vannet nær frysepunktet er sikkert mindre tett og derfor stiger til toppen (uten andre effekter)?
• » flytende vann veldig nær frysepunktet er mindre tett enn det er litt varmere vann. Det veldig kule vannet synker. » Som observert ovenfor, stiger kaldt vann (< 4C) ikke synker. Dette isolerer deretter det varmere vannet nedenfor fra vindens kjøleeffekt.
• @VinceO ‘ Sullivan – Ikke nødvendigvis. Det er ‘ et fenomen i nordlige innsjøer som kalles fallomsetning. Når en innsjø avkjøles til en nesten ensartet 4C temperatur gjennom, kan vind føre til at hele innsjøen blandes. Dette er en dam, så omsetningen vant ‘ t være så høy – med mindre vinden er sterk og vedvarende. Kuldefronten som nylig blåste gjennom O ‘ fallon MO brakte sterke, vedvarende vinder fra nordvest, fra lørdag klokka 12 (da temperaturen først falt under frysepunktet) til klokka 16 søndag.

På grunn av konveksjon (det kalde vannet synker mens det varme vannet stiger) , må hele dammen bringes til nesten frysende temperaturer før overflaten kan fryse. Med bare toppen av dammen i kontakt med den kalde luften, tar dette lang tid.

‍ ‍ I tillegg vil bakken (som ikke blir avkjølt av konveksjon) vil ta enda lenger tid å kjøle seg ned, noe som betyr at bakken vil varme bunnen av dammen. Det varme vannet vil stige til toppen og forlenge fryseprosessen.

Det tar tid før ting fryser. Ovennevnte forhold fører til at dammen fryser sakte, men hvis luften skulle forbli under frysepunktet for alltid, ville til slutt hele dammen fryse over (starter med topplaget og jobber seg nedover – når toppen blir til is den synker ikke lenger fordi is har lavere tetthet enn vann ) .

Dette er grunnen til at hvis du reiser nordover til Minnesota der isfiske er vanlig, vil de fortelle deg at været må være (for det meste) under frysepunktet i flere uker før vannet er trygt å gå / kjøre på.

Vannet i en dam er i kontakt med bakken og bakken er ikke engang nær frysing selv om lufttemperaturen er 27 ° under frysepunktet.

Kommentarer

• Mye vitenskap kastes rundt her, mens det enkle svaret er at bakken fortsatt er for varm. Hvis bakken er frossen forbi bunnen av dammen, så kan vi komme inn i alt det superkjølte iskjernens sjargong.
• @ BlueRaja-DannyPflughoeft, du ‘ er helt riktig. Jeg gjorde svaret mitt så enkelt som mulig.

Dette kan være fordi luften avkjøles og varmes raskere enn vann. Luft har en lavere Spesifikk varme enn vann. Det kan ta litt tid før vannet fryser.

Ingen har nevnt fisk ennå. Har du fisk eller andre dyr i dammen din? Ikke bare gir de en liten oppvarming, bevegelsen deres vil forhindre dannelse av is.

Kommentarer

• Ja, den inneholder fisk! 🙂

Variabelen du trenger å vurdere for å forstå problemet er dypets dybde. Jeg vedder på at i motsetning til dammen fryser grunne pytter rundt.

Vannet er tettere ved 4 ° C, så for å fryse overflaten må du avkjøle hele dammen til 4 ° C. Ellers , når vann i overflaten avkjøles til 4 ° C, vil det synke og bli erstattet av varmere vann nedenfra, så hvis vannet blir avkjølt til 4 ° C, vil det synke igjen og erstattes av varmere vann, og så videre Bare når hele dammen er på 4 ° C, kan vannet i overflaten kjøle seg ned under den temperaturen og fremdeles være lettere enn vannet under, derfor vil det forbli i overflaten og kan fortsette å kjøle seg ned til det fryser og produsere et lag av overflateis.

Følgende figur fra dette spørsmålet ved «Vitenskapsspørsmål med overraskende svar» viser temperaturstratifiseringsforskjellene i en varm dam (sommerfigur), og en akkurat kald nok til å starte dannelsen av en overflate-isskorpe (vinterfigur).

Tiden det tar å kjøle ned hele vannmassen er da proporsjonal med dybden. Grunnvannsforekomster vil fryse lettere, og dype vil kreve lengre perioder under frysende temperaturer for å begynne å generere en frossen skorpe.

I tillegg til det aksepterte svaret fra Casey, er det sannsynlig at solen varmer dammen i løpet av en dag mer enn det varmer termometeret som brukes til temperaturavlesningene du siterer, ettersom termometre holdes inne i en Stevenson-skjerm .

Kommentarer

• Hvis bakken varmer opp vannet, bør kondens stiger opp fra vannet. Ta en temperaturavlesning fra dammen og legg den til i spørsmålet ditt.

Rent vann fryser ved 0 ° C (32 ° F), og oftest finnes rent vann sjelden i dammer og andre åpne vannforekomster. Når urenheter blandes i vann, faller frysepunktet.

Kommentarer

• dammer er ferskvannsforekomster. Saltvann fryser ved ca -2C, så effekten kommer til å være ubetydelig for ferskvann.

Hvorvidt og hvor lang tid det tar en dam eller annen vannmengde å fryse, avhenger av flere faktorer. Lufttrykk, TDS (totalt oppløste faste stoffer, eller salter), bevegelse av selve vannet og temperaturen i det omgivende miljøet.

Lufttrykk – For det meste en funksjon av høyden, lufttrykket påvirker trykket av vannet, med vann under høyere trykk som krever lavere temperaturer å fryse. https://physics.stackexchange.com/questions/60170/freezing-point-of-water-with-respect-to-pressure

TDS – Totalt oppløste faste stoffer, for det meste salter og andre ioner senker frysepunktet vann opp til et punkt og avhengig av de spesifikke kjemikaliene og oppløst konsentrasjon. I ferskvannsdammer betyr det neppe mer enn 1 eller 2 graders forskjell. https://www.troublefreepool.com/threads/17456-Quantifying-TDS-constituents-affect-on-freezing-point-of-H20

Bevegelse av vannet. Bevegelig vann har en tendens til å hemme dannelsen av iskrystaller og forsinke frysing. https://www.physicsforums.com/threads/temperature-needed-to-freeze-moving-water.515414/

Temperatur i omgivelsene. Generelt med utendørs vann som dammer og innsjøer, vil bakken under vannmassen holde seg nær gjennomsnittlig årstemperatur. Luften over dammen må fjerne nok varme fra dammen til å overvinne alle disse faktorene.

Vann har også den unike (?) Egenskapen å avta i tetthet når det fryser.Dette betyr at is, som dannes, vil danne seg på overflaten der vannet har en tendens til å være varmere til å begynne med. I den flytende delen av dammen vil konveksjon bringe varme fra jorden under dammen til overflaten, noe som forsinker isdannelsen. Det kalde vannet som beveger seg ned til bunnen, blir utsatt for økende trykk, senker frysepunktet, slik at det ikke fryser når det beveger seg ned mot den varme jorden, selv når det når frysepunktet på overflaten igjen.

Nettoeffekten av alt dette er at hele vannmassen må nå frysepunktet før isen kan formes. Jo dypere dammen / innsjøen, jo lenger tid tar den og en dyp nok vannkilde vil aldri fryse helt under normale jordforhold. Når islaget dannes på overflaten, virker det for å isolere vannet under det, og redusere mengden varme luften kan fjerne, men isen dannes ikke på dambunnen, så den fortsetter å motta varme fra jorden. Så dammen fryser aldri helt hvis den er dyp nok og vinteren kort nok.

Vannet i dammen din har å senke til under frysepunktet. Det tar tid for varmen fra vannet å overføre til omgivelsene. Bakken under vannet ligger sannsynligvis ikke under frysepunktet, så den vil overføre varme til vannet samtidig. Ser vi på temperaturhistorikk for den aktuelle tiden, var de høye temperaturene i løpet av alle dagene over frysepunktet og gjennomsnittstemperaturen var også nær eller høyere enn frysepunktet . Det tar mer enn en dag for en stor mengde vann å miste så mye varme til miljøet når det uansett er nær den temperaturen.

Du kan gjøre ditt eget eksperiment for å få flasker av forskjellige størrelser og se hvordan lang tid tar det hver og en å fryse under de samme forholdene. Det tar mye mer energitap å endre tilstanden til vann fra væske til fast stoff. 4200 J / liter / grad (C) for å endre temperaturen på vannet, 333.000 J for å krystallisere en liter vann. Så for å fryse dammen helt, må omgivelsene absorbere samme mengde energi som det tar å senke temperaturen nesten 80 grader celsius.

Lufttemperaturen er 5 grader. Vanntemperaturen er ikke. Samme grunn holder en bolle med suppe eller en kopp kaffe varmere enn romtemperaturen en stund før den avkjøles til romtemperatur. Ta den skålen eller koppen og utvid den til størrelsen på en innsjø.

Tenk på hvor varmt en kompostbunke kan bli (varmt nok til å ta fyr). Det er i utgangspunktet det som skjer i bunnen av dammen over lengre tid ettersom det forfallende stoffet fra sommeren nedbrytes som i en metan-koker.

Også is (og snø) som dannes rundt kantene på toppen, fungerer som en isolator. Og siden isen flyter, skaper den en negativ tilbakemeldingssyklus med hensyn til kjøling, og det er derfor mange innsjøer fryser på toppen, men forblir flytende under islaget (i tillegg til den biotiske varmeproduksjonen).