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Gelo

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Uma fonte em Boise, Idaho, fevereiro de 2007
Flocos de neve (cristais de gelo) por Wilson Bentley, 1902

O gelo é o nome dado a qualquer um dos 15 conhecidos sólidos cristalinos fases de água . Em contextos não-científicos, descreve geralmente o gelo Ih, que é conhecido por ser o mais abundante destas fases. Pode parecer transparente ou uma azulada-opaca branca de cor , dependendo da presença de impurezas tais como o ar . A adição de outros materiais tais como solo podem alterar ainda mais a aparência.

O mais comum a transição de fase gelo I h ocorre quando o líquido água é resfriado abaixo de 0 ° C (273,15 K , 32 ° F) a pressão atmosférica normal. Também pode depósito de um vapor sem a fase líquida interveniente, tal como na formação de geada.

Ice aparece na natureza em formas tão variadas como flocos de neve e granizo, pingentes de gelo, geleiras , bloco de gelo , e todo polar calotas de gelo. É um componente importante do clima global , particularmente no que diz respeito ao ciclo da água . Além disso, o gelo tem inúmeras aplicações culturais, a partir do arrefecimento da bebida para um gelo esportes de inverno e escultura de gelo.

A palavra é do Inglês Antigo , por sua vez derivado Proto-germânico * isaz.

Características

Cordas de gelo encontradas na região de Adirondack dos Estados de Nova Iorque

Como um sólido cristalino, o gelo que ocorre naturalmente é considerada um mineral que consiste em óxido de hidrogénio.

Uma propriedade invulgar de gelo congelado a uma pressão de uma atmosfera é que o sólido é cerca de 8% menos denso do que a água no estado líquido. A água é o conhecido apenas substância não-metálicos para expandir quando se congela. Ice tem uma densidade de 0,9167 g / cm a 0 ° C, enquanto que a água tem uma densidade de 0,9998 g / cm, à mesma temperatura. ?gua líquida é mais denso, essencialmente, 1,00 g / cm, a 4 ° C e torna-se menos denso que as moléculas de água começar a formar a hexagonais cristais de gelo medida que a temperatura cai para 0 ° C. (Na verdade, a palavra "cristal" deriva da palavra grega para geada.) Isto é devido que formam ligações de hidrogénio entre as moléculas de água, que se alinham as moléculas com menos eficiência (em termos de volume) quando a água é congelada. O resultado disto é que o gelo flutua na água líquida, o que é um fator importante na Terra do clima (se a água tinha afundado em vez de flutuar, qualquer corpo de água teria congelado a partir do fundo para a superfície, matando todos os peixes e outras criaturas não resistente a temperaturas de congelamento). Densidade de gelo aumenta ligeiramente com a diminuição da temperatura (densidade do gelo a -180 ° C (K 93) é 0,9340 g / cm).

Quando o gelo derrete, ele absorve o máximo de energia térmica (o calor de fusão), uma vez que seria necessário para aquecer uma massa equivalente de água em 80 ° C, enquanto que a sua temperatura continua a ser uma constante de 0 ° C.

É também teoricamente possível para sobreaquecer gelo para além do seu ponto de fusão de equilíbrio. Simulações de pulsos de laser ultra-rápidos que atuam no gelo mostrar que pode ser aquecida até à temperatura ambiente por um período extremamente curto (250 ps) sem derretê-lo.

Luz refletindo de gelo podem aparecer azul, porque o gelo absorve mais das freqüências vermelhos do que os azuis. Além disso, icebergs que contêm impurezas (por exemplo, sedimentos, algas, bolhas de ar) pode aparecer verde.

Slipperiness

Cristais de gelo na janela de geladeira

Até recentemente, acreditava-se que o gelo era escorregadio, porque a pressão de um objecto em contacto com ele causou uma camada fina para derreter. Por exemplo, a lâmina de um patim de gelo, exercendo pressão sobre o gelo, derretida uma camada fina, proporcionando a lubrificação entre o gelo e a lâmina.

Esta explicação não é mais amplamente aceito. Ainda há debate sobre por que o gelo é escorregadio. A explicação ganhar aceitação é que as moléculas de gelo em contacto com o ar não podem ligar-se adequadamente com as moléculas da massa de gelo por baixo (e, portanto, são livres de se mover como moléculas de água no estado líquido). Estas moléculas permanecem num estado semilíquido, proporcionando a lubrificação independentemente da pressão exercida contra o gelo por qualquer objecto.

Este fenómeno não parece prender verdadeiro em todas as temperaturas. As condições extremas encontradas, especialmente, na Antártica têm sido observados para fazer gelo e neve não escorregadios. Exploradores relatam que em temperaturas muito baixas neve perde seu "deslize", e puxando um trenó em toda ela se torna como puxar um trenó através da areia.

Tipos

Ice revestimento dos ramos de uma árvore
Pena de gelo no planalto perto Alta, Noruega. Os cristais se formam a temperaturas inferiores a -30 ° C (isto é, -22 ° F).

Gelo todos os dias e neve têm uma hexagonal estrutura cristalina ( gelo I h). Submetido a altas pressões e temperaturas variadas, o gelo pode se formar em cerca de uma dúzia de fases diferentes. Apenas um pouco menos estável (metaestável) do que h é a estrutura cúbica ( I c).

A outras temperaturas e pressões, outras formas de gelo existentes, incluindo II, III, V, VI , VII, VIII, IX, e X . Com cuidado todos esses tipos podem ser recuperados à pressão ambiente. Os tipos são diferenciados por sua estrutura cristalina, ordenação e densidade. Há também duas fases metaestáveis de gelo sob pressão, ambos totalmente desordenados hidrogénio; estes são IV e XII. Gelo XII foi descoberto em 1996. Em 2006, XIII e XIV foram descobertos. Ices XI, XIII, XIV e são formas ordenou a hidrogénio das CIEM I h, V e XII, respectivamente.

Bem como formas cristalinas, água sólida podem existir em estados amorfos quanto água sólido amorfo (ASW), baixa densidade gelo amorfo (LDA), alta densidade de gelo amorfo (HDA), muito alta densidade de gelo amorfo (VHDA) e água glassy hyperquenched (HGW).

Rime é um tipo de gelo formados em objectos frios, quando gotas de água sobre eles cristalizar. Isto pode ser observado na tempo nublado, quando a temperatura cai durante a noite. Rime macio contém uma elevada proporção de ar preso, tornando-aparecem em branco em vez de transparente, e dando-lhe uma densidade de cerca de um quarto da de gelo puro. Rime duro é comparativamente mais denso.

Aufeis é em camadas de gelo que se forma no ?rtico e vales com rios subarctic. Gelo congelado na blocos leito descarga normal das águas subterrâneas e faz com que o lençol freático, a subir, resultando em descarga de água em cima da camada congelada. Esta água congela em seguida, fazendo com que o lençol freático para subir ainda mais e repetir o ciclo. O resultado é um depósito de gelo estratificada, frequentemente vários metros de espessura.

Também pode formar gelo pingentes, semelhante à estalactites na aparência, como gotas de água e re-congela.

Hidratos clatrato são formas de gelo que contêm as moléculas de gás presas dentro da sua estrutura de cristal. Panqueca de gelo é uma formação de gelo geralmente criado em áreas com condições menos calmas.

Algumas outras substâncias (particularmente formas sólidas daqueles normalmente encontrados como fluidos) são também chamados de "ice": gelo seco , por exemplo, é um termo popular para sólido dióxido de carbono .

No espaço exterior cristalina hexagonal do gelo, a forma predominante na Terra, é extremamente rara. Gelo amorfo é mais comum; no entanto, o gelo cristalino hexagonal pode ser formado através da ação vulcânica.

Usos

Colheita Ice

Colhendo gelo em Lago Saint Clair em Michigan, circa 1905
Ice ser transportado por carro em Mumbai , ?ndia

Gelo tem sido avaliada como um meio de arrefecimento. Até recentemente, o O parlamento húngaro edifício utilizado gelo colhido no inverno de Lake Balaton para ar condicionado. Icehouses foram usadas para armazenar gelo formado no inverno para fazer gelo disponível o ano todo, e no início geladeiras eram conhecidos como iceboxes porque eles tinham um bloco de gelo neles. Em muitas cidades, não era incomum para ter um serviço de entrega de gelo regular durante o verão. Para a primeira metade do século 19, a colheita de gelo havia se tornado um grande negócio nos Estados Unidos. Frederic Tudor, que ficou conhecido como o "Ice King," trabalhou no desenvolvimento de melhores produtos de isolamento para a expedição de longa distância de gelo, especialmente para os trópicos. O advento da artificial tecnologia de refrigeração, desde então, fez entrega de gelo obsoleto.

Em 400 aC o Irã , persas engenheiros já tinham dominado a técnica de armazenamento de gelo no meio do verão no deserto. O gelo foi trazido durante os invernos de montanhas próximas, em quantidades a granel, e armazenado em especialmente concebidos, geladeiras naturalmente resfriado, chamado yakhchal (que significa o armazenamento de gelo). Este foi um grande espaço subterrâneo (até 5000 m³) que tinha paredes espessas (pelo menos dois metros na base) feita de uma argamassa especial chamado sārooj, composto de areia, argila, claras de ovos, limão, pêlo de cabra e cinzas em proporções específicas, e que era conhecido por ser resistente à transferência de calor. Esta mistura foi pensado para ser completamente impenetrável água. O espaço muitas vezes tinham acesso a um Qanat, e frequentemente continham um sistema de windcatchers que poderia facilmente trazer temperaturas dentro do espaço para níveis frígidos em dias de verão. O gelo foi então utilizado para refrigerar guloseimas para a realeza durante os dias quentes de verão.

Esportes

Surfar gelo no Żnin pequeno lago

Ice também desempenha um papel no inverno recreação, em muitos esportes, como patinação no gelo , passeio patinagem, hóquei no gelo , pesca no gelo, escalada no gelo, curling, broomball e corridas de trenó no bobsled, luge e esqueleto. Muitos dos diferentes esportes jogados no gelo chamar a atenção internacional a cada quatro anos, durante os Jogos Olímpicos de Inverno .

Uma espécie de veleiro em lâminas dá origem a boating gelo. A busca humana de excitação levou inclusive à corridas de gelo, onde os motoristas devem acelerar no lago de gelo ao mesmo tempo, controlar a derrapagem de seu veículo (similar em algumas maneiras de sujeira pista de corridas). O esporte foi mesmo modificados para pistas de gelo.

Transporte

Guarda Costeira dos EUA quebra-gelos perto Estação McMurdo, fevereiro 2002

Ice também pode ser um obstáculo; para portos perto do pólos, sendo livre de gelo é uma vantagem importante, idealmente todo o ano. São exemplos Murmansk (Rússia), Petsamo (Rússia, anteriormente Finlândia) e Vardø (Noruega). Portos que não estão livres de gelo são abertos usando quebra-gelos.

Formação de gelo em estradas é um perigo inverno perigoso. Black ice é muito difícil de ver porque ela não tem a superfície gelada esperado. Sempre que há congelamento chuva ou neve que ocorre a uma temperatura perto do ponto de fusão, é comum para gelo para se formar na vidros dos veículos. Dirigir com segurança requer a remoção do acúmulo de gelo. Raspadores de gelo são ferramentas projetadas para quebrar o gelo livre e limpar as janelas, embora a remoção do gelo pode ser um processo longo e trabalhoso.

Suficientemente abaixo do ponto de congelação, uma camada fina de cristais de gelo que se formam sobre a superfície interior das janelas. Isso geralmente acontece quando um veículo foi deixado sozinho depois de ser impulsionado por um tempo, mas pode acontecer durante a condução se a temperatura exterior é baixa o suficiente. A humidade da respiração do condutor é a fonte de água para os cristais. É problemático para remover essa forma de gelo, para que as pessoas muitas vezes abrir suas janelas ligeiramente quando o veículo está estacionado de forma a deixar a dissipar a umidade, e agora é comum para que os carros têm-janela traseira degeladores para combater o problema. Um problema semelhante pode acontecer em casas, o que é uma razão pela qual muitas regiões mais frias requerem janelas de folhas duplas para isolamento.

Quando a temperatura exterior fica abaixo de zero por períodos prolongados, camadas muito espessas de gelo pode se formar nos lagos e outros corpos de água (embora lugares com água corrente requer temperaturas muito mais frias). O gelo pode tornar-se espessa o suficiente para conduzir para com automóveis e caminhões. Fazer isso com segurança requer uma espessura de pelo menos 30 centímetros (um pé).

Para os navios, gelo apresenta dois riscos distintos. Spray e chuva congelante pode produzir uma acumulação de gelo sobre a superestrutura de um navio suficiente para torná-lo instável e obrigá-la a ser cortado fora ou derretido com mangueiras de vapor. E icebergs - grandes massas de gelo que flutua na água (normalmente criado quando geleiras chegar ao mar) - pode ser perigoso se atingido por um navio, quando a caminho. Icebergs ter sido responsável pelo afundamento de muitos navios, um exemplo notável sendo o Titanic.

Para as aeronaves, o gelo pode causar uma série de perigos. Como uma aeronave sobe, passa através de camadas de ar de temperatura e de humidade diferentes, alguns dos quais podem ser conducente à formação de gelo. Se formas de gelo nas asas ou superfícies de controle, isso pode afetar negativamente as qualidades de vôo da aeronave. Durante o primeiro vôo sem escalas do Atlântico, os aviadores britânicos Capitão John Alcock eo Tenente Arthur Whitten Brown encontrou tais condições de gelo - Brown deixou o cockpit e subiu na ala várias vezes para remover o gelo que cobria as entradas de ar do motor do Vickers Vimy aeronaves estavam voando.

A vulnerabilidade icing particular associado com motores de combustão interna a pistão é o carburador. Como o ar é sugado através do carburador para o motor de ar a pressão local é reduzido, o que faz com que resfriamento adiabático. Assim, em condições úmidas próximas do congelamento, o carburador vai ser mais frio e tendem a congelar-se. Isto irá bloquear o fornecimento de ar para o motor e fazer com que ele falhe. Motores a pistão de aeronaves com carburadores estão equipados com aquecedores de entrada de ar do carburador por este motivo. A utilização crescente de injeção de combustível que não requer carburadores-fez "icing carb" menos de um problema para motores alternativos.

Os motores a jato não experimentam carb gelo, mas evidências recentes indicam que pode ser retardado, parados ou danificados por formação interna de gelo em certos tipos de condições atmosféricas muito mais facilmente do que se acreditava anteriormente. Na maioria dos casos, os motores podem ser rapidamente reiniciado e os vôos não estão em perigo, mas a investigação continua para determinar as condições exatas que produzem este tipo de congelamento, e encontrar os melhores métodos para prevenir ou reverter o voo.

Outros usos

Pier gelo durante 1983 as operações de carga. Estação McMurdo, a Antártica
  • Os engenheiros usaram pacote de gelo formidável força quando eles construído flutuante da Antártida cais de gelo em 1973. Esses pilares de gelo são usados durante as operações de carga para carregar e descarregar navios. Frota pessoal de operações fazer o cais flutuante durante o inverno. Eles construir em cima de ocorrência natural de água do mar congelado em Estreito de McMurdo até a doca atinge uma profundidade de cerca de 22 pés (6,7 m). Piers de gelo tem uma vida útil de três a cinco anos.
  • O fabrico e utilização de cubos de gelo ou gelo esmagado são comuns para bebidas.
  • Pagofagia, um tipo de pica transtorno alimentar, é o consumo compulsivo de gelo.
  • Estruturas e esculturas de gelo são construídas a partir de grandes pedaços de gelo. As estruturas são na sua maioria ornamentais (como é o caso com castelos de gelo) e não é prático para a habitação a longo prazo. Hotéis de gelo existem em uma base sazonal em algumas áreas frias. Iglus são outro exemplo de uma estrutura provisória, feita principalmente a partir de neve.
  • Durante a Segunda Guerra Mundial, Projecto Habbakuk foi um programa britânica que investigou o uso de pykrete (fibras de madeira misturados com gelo) como um possível material para navios de guerra, porta-aviões, especialmente devido à facilidade com que um grande deck poderia ser construída, mas a idéia foi abandonada quando não havia fundos suficientes para a construção de um protótipo.
  • Gelo pode ser usado para iniciar um incêndio por esculpir-lo em uma lente que vai concentrar a luz solar em gravetos. Quando se espera o tempo suficiente, um fogo vai começar.
  • Em aquecimento global , gelo desempenha um papel importante, pois reflete 90% do sol os raios. Além disso, amostras de gelo ajudam a fornecer informações históricas climáticas.
  • Em janeiro e fevereiro de 1658, os estreitos entre as ilhas da Dinamarca , Grande Belt e Little Belt congelou, permitindo um exército sueco para Marchar através dos Belts e derrotar o exército dinamarquês. O resultado Tratado de Roskilde cedeu grandes áreas da Dinamarca para a Suécia .

Em diferentes pressões

A maioria dos líquidos congelar a uma temperatura mais elevada sob pressão porque a pressão ajuda a manter as moléculas em conjunto. No entanto, a forte pontes de hidrogênio em água tornam diferente: a água congela a uma temperatura abaixo de 0 ° C sob uma pressão superior a 1 atm. Por conseguinte, também a água continua a ser congelado a uma temperatura acima de 0 ° C, sob uma pressão inferior a 1 atm. O derretimento do gelo sob altas pressões é pensado para contribuir para o movimento de geleiras . Gelo formado a alta pressão tem uma estrutura cristalina diferente e densidade de gelo comum. Gelo, água e vapor de água podem coexistir no ponto triplo, que é exactamente 273,16 K (por definição) a uma pressão de 611,73 Pa.

Fases

Fase Características
Gelo amorfo Gelo amorfo é uma estrutura de cristal de gelo falta. Gelo amorfo existe em três formas: de baixa densidade (LDA) formado à pressão atmosférica, ou abaixo, de alta densidade (HDA) e de densidade muito elevada de gelo amorfo (VHDA), formando a pressões mais elevadas. LDA formas de arrefecimento extremamente rápido de água líquida ("hyperquenched água glassy", HGW), mediante depósito de vapor de água em substratos muito frio ("água sólido amorfo", ASW) ou pelo aquecimento de formas de alta densidade de gelo à pressão ambiente ("LDA ").
Ice I h Normal gelo cristalino hexagonal. Virtualmente todo o gelo na biosfera é gelo Eu h, com a única excepção de uma pequena quantidade de gelo que c.
Ice I c A Metastable variante cristalina cúbica de gelo. Os átomos de oxigénio são arranjados numa estrutura diamante. É produzido a temperaturas entre 130-150 K , e é estável por até 200 K, quando se transforma em gelo I h. É ocasionalmente presentes na atmosfera superior.
Gelo II A forma cristalina romboédrica com estrutura altamente ordenada. Formado a partir de gelo I h por compactá-lo à temperatura de 190-210 K. Quando aquecido, ele passa por uma transformação em gelo III.
Gelo III A gelo cristalino tetragonal, formada por água de refrigeração para baixo para 250 K a 300 MPa. Pelo menos densa das fases de alta pressão. Mais denso do que a água.
Gelo IV A fase romboédrica Metastable. Não é fácil formar sem um agente de nucleação.
Ice V A fase cristalina monoclínica. Formado por água de arrefecimento a 253 K a 500 MPa. Mais estrutura complicada de todas as fases.
Ice VI A fase cristalina tetragonal. Formado por água de arrefecimento a 270 K em 1,1 GPa. Exposições Relaxamento Debye.
Ice VII A fase cúbica. As posições de átomos de hidrogênio são desordenadas, os shows materiais Relaxamento Debye. As ligações de hidrogênio formar dois reticulados interpenetrantes.
Ice VIII Uma versão mais ordenada de gelo VII, onde os átomos de hidrogénio assumir posições fixas. Formado a partir de gelo VII por arrefecimento abaixo de 5 ° C.
Ice IX Uma fase tetragonal metastável. Formado gradualmente a partir de gelo III por arrefecimento de 208 K a 165 K, estável abaixo de 140 K e pressões entre 200 e 400 MPa. Ele tem a densidade de 1,16 g / cm, um pouco maior do que o gelo comum.
Ice X Proton-ordenada gelo simétrica. Formulários em cerca de 70 GPa.
Ice XI Um forma de equilíbrio orthorhombic de baixa temperatura de gelo hexagonal. É ferroelétrico.
Ice XII A fase densa tetragonal metastável cristalino. Observa-se, no espaço de fase de gelo V e VI gelo. Ele pode ser preparado por aquecimento de alta densidade gelo amorfo de 77 K a 183 K em cerca de 810 MPa.
Ice XIII A fase cristalina monoclínica. Formado por água de refrigeração para abaixo de 130 K a 500 MPa. A forma ordenada-próton de gelo V.
Ice XIV Uma fase cristalina ortorrômbica. Formou-se a seguir 118 K a 1,2 GPa. A forma ordenada-próton do XII gelo.
Ice XV O previsto, mas ainda não comprovada forma ordenada-próton de gelo VI. Pensado para ser formada por água de arrefecimento para cerca de 108-80 K em 1,1 GPa.
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