Hielo
Sabías ...
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El hielo es el nombre dado a una cualquiera de las 15 conocidas sólidas cristalinas fases de agua . En contextos no-científicos, describe generalmente el h hielo I, que se sabe que es el más abundante de estas fases. Puede aparecer transparente o un color blanco azulado opaco de color en función de la presencia de impurezas tales como aire . La adición de otros materiales tales como suelo puede alterar aún más la apariencia.
Los más comunes transición de fase a hielo I h se produce cuando el líquido se enfría el agua por debajo de 0 ° C (273,15 K , 32 ° F) en la presión atmosférica estándar. También puede depósito de un vapor sin fase líquida intervenir, como en la formación de heladas.
Aparece hielo en la naturaleza en formas tan variadas como los copos de nieve y granizo, carámbanos, glaciares , bolsa de hielo , y todo polar las capas de hielo. Es un componente importante del clima global , en particular en lo que respecta al ciclo del agua . Además, el hielo tiene numerosas aplicaciones culturales, desde el hielo de enfriamiento bebida de uno a deportes de invierno y escultura de hielo.
La palabra es del Inglés Antiguo , a su vez derivado de Proto-germánico * Isaz.
Características
Como ocurre naturalmente sólido cristalino, el hielo se considera un mineral que consiste en óxido de hidrógeno.
Una propiedad inusual de hielo congelado a una presión de una ambiente es que el sólido es un 8% menos denso que el agua líquida. El agua es la única conocida sustancia no metálica que se expande cuando se congela. Hielo tiene una densidad de 0,9167 g / cm³ a 0 ° C, mientras que el agua tiene una densidad de 0,9998 g / cm³ a la misma temperatura. El agua líquida es más densa, esencialmente 1,00 g / cm³, a 4 ° C y se hace menos denso como las moléculas de agua se empiezan a formar la hexagonales cristales de de hielo como la temperatura desciende a 0 ° C. (De hecho, la palabra "cristal" se deriva de la palabra griega para heladas.) Esto se debe a enlaces de hidrógeno que forman entre las moléculas de agua, que se alinean moléculas menos eficiente (en términos de volumen) cuando se congela el agua. El resultado de esto es que el hielo flota en el agua líquida, que es un factor importante en la Tierra el clima (si el agua se había hundido en lugar de flotar, cualquier cuerpo de agua se habría congelado desde el fondo hasta la superficie, matando a los peces y otros no criaturas resistente a temperaturas de congelación). Densidad de hielo aumenta ligeramente con la disminución de la temperatura (densidad del hielo a -180 ° C (93 K) es 0,9340 g / cm³).
Cuando el hielo se derrite, absorbe la mayor cantidad de energía térmica (el calor de fusión), ya que se necesitaría para calentar una masa equivalente de agua en un 80 ° C, mientras que su temperatura se mantiene una constante 0 ° C.
También es teóricamente posible para sobrecalentar el hielo más allá de su punto de fusión de equilibrio. Simulaciones de pulsos láser ultrarrápidos que actúan sobre hielo muestran que se puede calentar hasta temperatura ambiente durante un período extremadamente corto (250 ps) sin fundir la misma.
La luz reflejada de hielo puede aparecer azul, porque el hielo absorbe más de las frecuencias rojos que los azules. Además, los icebergs que contienen impurezas (por ejemplo, los sedimentos, algas, burbujas de aire) pueden aparecer en verde.
Deslizamiento
Hasta hace poco, se creía que el hielo estaba resbaladiza debido a la presión de un objeto en contacto con él causó una capa delgada a derretirse. Por ejemplo, la cuchilla de un patín de hielo, ejerciendo presión sobre el hielo, se fundió una capa delgada, proporcionando la lubricación entre el hielo y la cuchilla.
Esta explicación ya no es ampliamente aceptada. Todavía hay debate acerca de por qué el hielo es resbaladizo. La aceptación explicación es que ganando moléculas de hielo en contacto con el aire no pueden vincularse de forma adecuada con las moléculas de la masa de hielo bajo (y por lo tanto son libres de moverse como moléculas de agua líquida). Estas moléculas permanecen en un estado semilíquido, proporcionando lubricación independientemente de la presión contra el hielo ejercida por cualquier objeto.
Este fenómeno no parece ser cierto en todas las temperaturas. Se han cumplido las condiciones extremas que se encuentran, sobre todo, en la Antártida para hacer hielo y la nieve no resbaladizo. Los exploradores informan que a muy bajas temperaturas la nieve pierde su "deslizamiento", y tirando de un trineo a través de ella se convierte como tirar de un trineo a través de la arena.
Tipos
Todos los días de hielo y nieve tienen una hexagonal estructura cristalina ( hielo I h). Sometido a presiones más altas y temperaturas variables, el hielo puede formar en aproximadamente una docena de fases diferentes. Sólo un poco menos estable (metaestable) de lo que h es la estructura cúbica ( Ya veo).
En otras temperaturas y presiones, otras formas de hielo existir, incluyendo II, III, V, VI , VII, VIII, IX, y X . Con el cuidado de todos estos tipos se pueden recuperar a presión ambiental. Los tipos se diferencian por su estructura cristalina, ordenación y densidad. También hay dos fases metaestables de hielo bajo presión, ambos completamente hidrógeno desordenada; estos son IV y XII. Hielo XII fue descubierto en 1996. En 2006, XIII y XIV fueron descubiertos. Ices XI, XIII y XIV son hidrógeno forma ordenada de hielos I h, V y XII, respectivamente.
Además de las formas cristalinas, agua sólida puede existir en estados amorfos como agua sólido amorfo (ASW), hielo amorfo de baja densidad (LDA), hielo amorfo de alta densidad (HDA), hielo amorfo muy alta densidad (VHDA) y agua cristalina hyperquenched (HGW).
Rime es un tipo de hielo que se forma en los objetos fríos, cuando las gotas de agua cristalizan en ellos. Esto se puede observar en niebla, cuando la temperatura baja durante la noche. Escarcha suave contiene una alta proporción de aire atrapado, lo que parece blanca más que transparente, y que le da una densidad de aproximadamente una cuarta parte de la de hielo puro. Rime duro es relativamente denso.
Aufeis es hielo en capas que se forma en el Ártico y valles de la corriente subárticas. Hielo congelado en la descarga de aguas subterráneas normales bloques lecho de un arroyo y hace que la tabla de agua local a subir, lo que resulta en la descarga de agua en la parte superior de la capa congelada. Esta agua se congela, haciendo que el nivel freático se eleve más y repetir el ciclo. El resultado es un depósito de hielo estratificado, a menudo varios metros de espesor.
El hielo también puede formar carámbanos, semejantes a estalactitas en la apariencia, como el agua gotea y se vuelve a congelar.
Hidratos clatrato son formas de hielo que contienen moléculas de gas atrapadas dentro de su red cristalina. Pancake hielo es una formación de hielo en general creada en áreas con condiciones menos tranquilas.
Algunas otras sustancias (en particular, las formas sólidas de las que normalmente se encuentran como fluidos) también se llaman "hielo": hielo seco , por ejemplo, es un término popular para sólido del dióxido de carbono .
En el espacio exterior cristalina hexagonal hielo, la forma predominante en la Tierra, es extremadamente rara. Hielo amorfo es más común; Sin embargo, cristalina hexagonal hielo puede formarse a través de la acción volcánica.
Usos
Cosecha de hielo
Hielo durante mucho tiempo ha sido valorado como medio de enfriamiento. Hasta hace poco, la Parlamento húngaro edificio utilizado hielo cosechado en el invierno de Lago Balatón para el aire acondicionado. Neveras se utilizan para almacenar hielo formado en el invierno para hacer hielo disponibles todo el año, ya principios refrigeradores eran conocidos como neveras porque tenían un bloque de hielo en ellos. En muchas ciudades que no era inusual tener un servicio de entrega de hielo regular durante el verano. Para la primera mitad del siglo 19, la cosecha de hielo se había convertido en un gran negocio en Estados Unidos. Frederic Tudor, que se hizo conocido como el "Rey de Hielo", trabajó en el desarrollo de mejores productos de aislamiento para el envío de larga distancia de hielo, sobre todo a los trópicos. El advenimiento de la artificial tecnología de refrigeración ha hecho desde la entrega de hielo obsoleto.
En el año 400 aC Irán , persas ingenieros ya habían dominado la técnica de almacenar hielo en el medio del verano en el desierto. El hielo fue traído durante los inviernos de montañas cercanas en cantidades a granel, y se almacena en especialmente diseñado, de forma natural enfriado refrigeradores, llamado yakhchal (significado de almacenamiento de hielo). Este fue un gran espacio subterráneo (hasta 5.000 m³) que tenía paredes gruesas (por lo menos dos metros en la base) hechas de un mortero especial llamado Sarooj, compuesto de arena, arcilla, claras de huevo, limón, pelo de cabra y ceniza en proporciones específicas, y que se sabe que son resistentes a la transferencia de calor. Esta mezcla se pensaba que era completamente impenetrable agua. El espacio menudo tenía acceso a un Qanat, y con frecuencia contenida un sistema de Windcatchers que podrían traer fácilmente temperaturas en el interior del espacio a niveles gélidos en los días de verano. A continuación, el hielo se usa para enfriar los convites para la realeza durante los días calurosos de verano.
Deportes
El hielo también desempeña un papel en la reconstrucción del invierno, en muchos deportes como el patinaje sobre hielo , gira de patinaje, hockey sobre hielo , pesca en hielo, escalada en hielo, curling, broomball y carreras de trineo en bobsled, luge y esqueleto. Muchos de los diferentes deportes que se practican en el hielo obtener atención internacional cada cuatro años durante los Juegos Olímpicos de Invierno .
Una especie de velero en las láminas da lugar a canotaje hielo. La búsqueda humana de la emoción ha llevado incluso a carreras sobre hielo, donde los conductores deben velocidad en el hielo, mientras que también controlar el derrape de su vehículo (similar en algunos aspectos a suciedad pista de carreras). El deporte, incluso se ha modificado para pistas de hielo.
Transporte
El hielo también puede ser un obstáculo; para puertos cerca de la polos, siendo libre de hielo es una ventaja importante, lo ideal durante todo el año. Ejemplos son Murmansk (Rusia), Petsamo (Rusia, ex Finlandia) y Vardø (Noruega). Puertos que no son se abrió usando sin hielo rompehielos.
Formación de hielo en carreteras es un riesgo peligroso de invierno. Es muy difícil de ver porque carece de la superficie helada esperada hielo negro. Siempre que hay congelación de la lluvia o la nieve que se produce a una temperatura cerca del punto de fusión, es común para que el hielo se acumulan en las ventanas de vehículos. Conducir con seguridad requiere la eliminación de la acumulación de hielo. Raspadores de hielo son herramientas diseñadas para romper el hielo libre y despejar las ventanas, aunque eliminando el hielo puede ser un proceso largo y laborioso.
Lo suficientemente lejos por debajo del punto de congelación, una fina capa de cristales de hielo puede formar en la superficie interior de las ventanas. Esto suele suceder cuando un vehículo se ha quedado sola después de ser expulsados por un tiempo, pero puede suceder durante la conducción si la temperatura exterior es lo suficientemente baja. La humedad de la respiración del conductor es la fuente de agua para los cristales. Es molesto para eliminar esta forma de hielo, por lo que la gente a menudo abren sus ventanas ligeramente cuando el vehículo está estacionado con el fin de permitir que la humedad se disipe, y ahora es común que los coches tengan la ventana trasera eliminadores de escarcha para combatir el problema. Un problema similar puede ocurrir en los hogares, que es una de las razones por las que muchas regiones más frías requieren ventanas de doble panel para aislamiento.
Cuando la temperatura exterior permanece por debajo de la congelación durante períodos prolongados, capas muy gruesas de hielo se pueden formar en lagos y otros cuerpos de agua (aunque los lugares con agua que fluye requieren temperaturas mucho más frías). El hielo puede llegar a ser lo suficientemente gruesa como para conducir a con los automóviles y camiones. Hacer esto requiere de manera segura un espesor de al menos 30 centímetros (un pie).
Para los buques, hielo presenta dos peligros distintos. Rocíe y lluvia helada puede producir una acumulación de hielo en la superestructura de un buque suficiente para que sea inestable y exigir que sea hackeado fuera o se funde con mangueras de vapor. Y icebergs - grandes masas de hielo flotante en el agua (normalmente creado cuando los glaciares llegan al mar) - puede ser peligroso si golpeado por un barco cuando en curso. Icebergs han sido responsables por el hundimiento de muchas naves, siendo un ejemplo notable de la Titanic.
Para las aeronaves, el hielo puede causar una serie de peligros. Como un avión asciende, pasa a través de capas de aire de diferente temperatura y la humedad, algunos de los cuales pueden conducir a la formación de hielo. Si se forma hielo en las alas o superficies de control, esto puede afectar negativamente a las cualidades de vuelo de la aeronave. Durante el primer vuelo sin escalas del Atlántico, los aviadores británicos capitán John Alcock y el teniente Arthur Whitten Brown encontró con esas condiciones de formación de hielo - Brown salió de la cabina y se subió a la banda varias veces para eliminar el hielo que cubría las tomas de aire del motor de la Aviones Vickers Vimy volaban.
Una vulnerabilidad de la formación de hielo particular asociado con motores de combustión interna alternativos es la carburador. Como el aire es aspirado a través del carburador en el motor se reduce la presión del aire local, lo que provoca enfriamiento adiabático. Por lo tanto, en condiciones húmedas cercanas al punto de congelación, el carburador será más frío y tienden a congelarse. Esto bloqueará el suministro de aire al motor, y causar que falle. Motores alternativos Aeronaves con carburadores cuentan con calentadores de toma de aire del carburador por esta razón. El uso cada vez mayor de inyección de combustible que no requiere carburadores-ha hecho "la formación de hielo en carbohidratos" menos de un problema para los motores alternativos.
Los motores a reacción no experimentan la formación de hielo en carbohidratos, pero la evidencia reciente indica que se pueden retardar, detener o dañados por congelamiento interno en ciertos tipos de condiciones atmosféricas mucho más fácilmente de lo que se creía anteriormente. En la mayoría de los casos, los motores se pueden reiniciar rápidamente y los vuelos no están en peligro, pero la investigación continúa para determinar las condiciones exactas que producen este tipo de formación de hielo, y encontrar los mejores métodos para prevenir o revertir durante el vuelo.
Otros usos
- Los ingenieros utilizaron paquete de hielo formidable fuerza cuando construyeron primero flotante de la Antártida muelle de hielo en 1973. Tales pilares de hielo se utilizan durante las operaciones de carga para cargar y descargar los buques. Flota personal de operaciones hacen que el muelle flotante durante el invierno. Ellos se basan en que ocurre naturalmente en el agua de mar congelada McMurdo Sound hasta el muelle alcanza una profundidad de aproximadamente 22 pies (6,7 m). Muelles de hielo tienen una vida útil de tres a cinco años.
- La fabricación y el uso de cubitos de hielo o hielo picado es común para las bebidas.
- Pagofagia, un tipo de trastorno de la alimentación pica, es el consumo compulsivo de hielo.
- Estructuras y esculturas de hielo se construyen a partir de grandes trozos de hielo. Las estructuras son en su mayoría ornamental (como en el caso de castillos de hielo) y no es práctico para la vivienda a largo plazo. Existen hoteles de hielo de forma estacional en pocos lugares fríos. Los iglús son otro ejemplo de una estructura temporal, hecho principalmente de nieve.
- Durante la Segunda Guerra Mundial, Proyecto Habacuc era un programa británico que investigó el uso de pykreto (fibras de madera mezcladas con hielo) como posible material para buques de guerra, especialmente portaaviones debido a la facilidad con que una gran cubierta se podría construir, pero la idea fue abandonada cuando no había suficientes fondos para la construcción de un prototipo.
- El hielo se puede utilizar para iniciar un incendio por el tallado en una lente que se centrará la luz solar en leña. Cuando uno espera el tiempo suficiente, un incendio se iniciará.
- En el calentamiento global , el hielo juega un papel importante, ya que refleja el 90% del sol los rayos 's. Por otra parte, los núcleos de hielo ayudan a proporcionar información climática histórica.
- En enero y febrero de 1658, el estrecho entre las islas de Dinamarca , Gran Belt y Pequeño Belt se congeló, lo que permite un ejército sueco Marcha a través de los Belts y derrotar al ejército danés. La resultante Tratado de Roskilde cedió grandes extensiones de Dinamarca a Suecia .
En diferentes presiones
La mayoría de los líquidos se congelan a una temperatura superior bajo presión debido a la presión ayuda a mantener las moléculas juntos. Sin embargo, la fuerte enlaces de hidrógeno en el agua hacen diferente: el agua se congela a una temperatura por debajo de 0 ° C bajo una presión superior a 1 atm. En consecuencia agua también permanece congelado a una temperatura por encima de 0 ° C bajo una presión inferior a 1 atm. El derretimiento del hielo bajo altas presiones se cree que contribuyen al movimiento de los glaciares . Hielo formado a alta presión tiene una estructura cristalina diferente y densidad que el hielo ordinario. De hielo, el agua y el vapor de agua puede coexistir en el punto triple, que es exactamente 273,16 K (por definición) a una presión de 611,73 Pa.
Fases
| Fase | Características |
|---|---|
| Hielo amorfo | Hielo amorfo es una estructura de cristales de hielo que carece. Existe hielo amorfo en tres formas: de baja densidad (LDA) formado a presión atmosférica, o por debajo, de alta densidad (HDA) y hielo amorfo muy alta densidad (VHDA), formando a presiones más altas. LDA formas de enfriamiento extremadamente rápido de agua líquida ("hyperquenched agua cristalina", HGW), mediante el depósito de vapor de agua en sustratos muy fríos ("agua sólida amorfa", ASW) o calentando formas de alta densidad de hielo a presión ambiente ("LDA "). |
| Hielo I h | Normal hielo cristalino hexagonal. Prácticamente todo el hielo en la biosfera es de hielo I h, con la única excepción de una pequeña cantidad de hielo I c. |
| Hielo I c | Un Metastable variante cristalina cúbico de hielo. Los átomos de oxígeno están dispuestos en una estructura de diamante. Se produce a temperaturas de entre 130 a 150 K , y es estable durante un máximo de 200 K, cuando se transforma en hielo I h. Es ocasionalmente presentes en la atmósfera superior. |
| Hielo II | La forma cristalina romboédrico con estructura altamente ordenada. Formado a partir de hielo I h comprimiéndolo a temperatura de 190 a 210 K. Cuando calienta sufre transformación en hielo III. |
| Hielo III | La hielo cristalina tetragonal, formado por agua de refrigeración hasta 250 K a 300 MPa. Menos densa de las fases de alta presión. Más denso que el agua. |
| Hielo IV | Una fase rhombohedral Metastable. No forma fácilmente sin un agente de nucleación. |
| Hielo V | La fase cristalina monoclínica. Formado por el agua de enfriamiento a 253 K a 500 MPa. La mayoría estructura complicada de todas las fases. |
| Hielo VI | Una fase cristalina tetragonal. Formado por el agua de enfriamiento a 270 K en el 1,1 GPa. Exposiciones Relajación Debye. |
| Hielo VII | Una fase cúbica. Las posiciones de los átomos de hidrógeno son desordenados, los espectáculos materiales Relajación Debye. Los enlaces de hidrógeno se forman dos redes de interpenetración. |
| Hielo VIII | Una versión más ordenada de hielo VII, en donde los átomos de hidrógeno asumen posiciones fijas. Formado a partir de hielo VII por enfriamiento por debajo de 5 ° C. |
| Hielo IX | Una fase metaestable tetragonal. Formado gradualmente de hielo III por enfriamiento desde 208 K a 165 K, estable por debajo de 140 K y presiones entre 200 y 400 MPa. Tiene densidad de 1,16 g / cm³, ligeramente más alto que el hielo ordinario. |
| Hielo X | Protón-ordenó hielo simétrica. Formas de aproximadamente 70 GPa. |
| XI Hielo | Una forma ortorrómbica equilibrio de bajo temperatura del hielo hexagonal. Es ferroeléctrico. |
| Hielo XII | Una fase cristalina tetragonal metaestable denso. Se observa en el espacio de fases de hielo V y VI de hielo. Se puede preparar por calentamiento de alta densidad de hielo amorfo a partir de 77 K a aproximadamente 183 K a 810 MPa. |
| Hielo XIII | Una fase cristalina monoclínica. Formado por el agua de refrigeración por debajo de 130 K a 500 MPa. La forma de protones ordenada de hielo V. |
| Hielo XIV | Una fase cristalina ortorrómbica. Formado por debajo de 118 K a 1,2 GPa. La forma de protones ordenada de XII hielo. |
| XV Hielo | El predijo, pero todavía no forma protones ordenada de hielo VI probado. Pensado para ser formados por el agua de enfriamiento a alrededor de 108 a 80 K en el 1,1 GPa. |
