Поиск по сайту

Раздел: Физика и химия льда

вернуться в раздел

Физика и химия льда. Общие сведения

Плотность

Плотность чистого льда ρч при температуре О °С и давлении 1 атм (1,01105 Па) равна 916,8 кг/м3. При увеличении давления плотность льда несколько увеличивается. Так, в основании Антарктического ледникового щита в местах его наибольшей мощности, достигающей 4200 м, плотность льда может достигать 920 кг/м3. Плотность льда увеличивается также при понижении температуры (примерно на 1,5 кг/м3 при понижении температуры на 10 °С).

Тепловая деформация

При понижении температуры линейные размеры и объем образцов и массивов льда уменьшаются, а при повышении температуры наблюдается противоположный процесс - термическое расширение льда. Коэффициент линейного расширения льда зависит от температуры, увеличиваясь при ее повышении. В интервале температуры от -20 до 0 °С коэффициент линейного расширения в среднем равен 5,5-10~5,. а коэффициент объемного расширения соответственно составляет 16,5-10"5 на 1 °С. В интервале от -40 до -20 °С коэффициент линейного расширения уменьшается до 3,6-10~5 на 1 °С.

Теплота плавления и возгонки

Количество тепла, требуемое для таяния единицы массы льда без изменения его температуры, называется удельной теплотой плавления льда. Замерзающая вода выделяет такое же количество тепла. При 0 °С и при нормальном атмосферном давлении удельная теплота плавления льда равна Lпл = 333,6 кДж/кг.

Скрытая теплота испарения воды в зависимости от ее температуры равна
Lисп = 2500 - 246 кДж/кг,
где 6 - температура льда в °С.

Удельная теплота возгонки льда, т.е. количество тепла, требуемое для непосредственного перехода пресного льда в пар при постоянной температуре, равно сумме затрат тепла, требуемого для таяния льда Lпо и испарения воды Lисп:
Lвозг=Lпл+Lисп

Удельная теплота возгонки почти не зависит от температуры испаряющегося льда (при 0 °С Lвозг = 2834 кДж/кг, при -10°С - 2836, при -20 °С - 2837 кДж/кг). При сублимации пара выделяется аналогичное количество тепла.

Теплоемкость

Количество тепла, необходимое для нагрева единицы массы льда на 1 °С при постоянном давлении, называется удельной теплоемкостью льда. Теплоемкость пресного льда Сл уменьшается с понижением температуры:
Сл = 2,12 + 0,00786 кДж/кг.

Режеляция

Лед обладает свойством режеляции (смерзаемости), которое характеризуется тем, что при соприкосновении и сжатии двух кусков льда они смерзаются. Под действием местных повышенных давлений на контактах может происходить некоторое плавление льда. Образующаяся при этом вода выдавливается в места, где давление меньше, и там замерзает. Смерзание ледяных поверхностей может происходить и без давления, и без участия жидкой фазы.

Благодаря свойствам режеляции трещины в ледяных покровах и массивах способны "залечиваться" и трещиноватый лед может превращаться в монолитный. Это весьма важно при использовании льда в качестве строительного материала для возведения инженерных конструкций (ледяных складов, водонепроницаемых ядер гидротехнических сооружений и др.).

Метаморфизм

Метаморфизмом льда называется изменение его структуры и текстуры под воздействием молекулярных и термодинамических процессов. Эти процессы наиболее полно проявляются при образовании метаморфических льдов, когда из первоначального скопления едва соприкасающихся между собой частиц снега со временем формируется сплошной, непроницаемый агрегат ледяных кристаллов. При этом про¬исходят относительные смещения кристаллов, поверхностные изменения их формы и размеров, деформации и рост одних кристаллов за счет других.

В кристаллическом льде метаморфизм происходит преимущественно в виде собирательной перекристаллизации с ростом среднего размера кристаллов и уменьшением их количества в единице объема. По мере увеличения размеров кристалла интенсивность перекристаллизации замедляется.

Оптические свойства

Лед является одноосным, оптически положительным кристаллом, обладающим свойством двойного преломления, при этом у него самый низкий показатель преломления из всех известных минералов. В результате двойного лучепреломления световой поток в кристалле поляризуется. Это позволяет определять положение осей кристаллов с помощью поляроидов.

При прохождении света через поликристаллический лед наблюдается ослабление потока вследствие поглощения и рассеяния, при этом световая энергия переходит в тепловую, вызывая радиационный нагрев и таяние льда. Рассеянный свет распространяется во льду во всех направлениях, в том числе выходит через облучаемую поверхность. Из-за рассеяния света лед выглядит голубым и даже изумрудным, а при наличии во льду значительного количества воздушных включений он приобретает белый цвет.

Отношение количества отраженной от поверхности льда и выходящей через поверхность рассеянной лучевой энергии к общей энергии поступающего на поверхность света называется альбедо льда. Вели¬чина альбедо зависит от состояния поверхности льда - для чистого холодного льда величина альбедо порядка 0,4, а при таянии и загрязнении поверхности она снижается до 0,3-0,2. При отложении на поверхности льда снега альбедо существенно увеличивается. Альбедо снежного покрова меняется от 0,95 для свежевыпавшего сухого снега в полярных и горных районах до 0,20 для влажного загрязненного снега.

Войтковский К.Ф. Основы гляциологии. М.: Наука, 1999, 255 с.