Фізичні основи утворення льоду
Фізичні основи утворення льоду
Можливі два випадки утворення льоду при охолодженні води. перший, коли в воді відсутні-кристали льоду або ядра для їх освіти, другий - коли в охолоджувальної воді вони присутні. Кожен з них має свої особливості утворення льоду. У першому випадку процес льодоутворення характеризується великою складністю і ще недостатньо вивчений. У другому випадку процес льодоутворення простіший, що дозволяє визначити кількісні залежності товщини і швидкості намораживания льоду від умов охолодження води і встановити, таким чином, ступінь впливу окремих факторів на цей процес.
У холодильній техніці льодоутворення майже завжди протікає в умовах, коли є необхідні передумови для виникнення кристалів льоду. Освіта твердої фази з рідкої починається тільки в окремих точках - центрах кристалізації. У свою чергу освіту первинних центрів кристалізації можливо тільки при переохолодженні рідини. Переохолодженням рідини - називають різницю температур між температурою плавлення твердої фази і температурою, при якій виділяються перші кристали. Після появи кристалів температура рідини зростає до температури плавлення. Необхідність переохолодження викликається тим, що виникають угруповання (дисперговані кристали) з упорядкованим розміщенням молекул, близьким до структури кристалів твердої фази, нестійкі. Ці угруповання відповідно до квазікрісталліческая будовою рідини безперервно руйнуються під впливом теплового руху молекул. Коли температура рідини стає нижче точки плавлення, вплив теплового руху молекул зменшується.
Однак ці угруповання, що представляють собою тільки кілька молекул з правильної кристалічної орієнтуванням, залишаються нестійкими і в умовах переохолодженні. Кристалічна угруповання стає стійкою лише тоді, коли в ній міститься кілька сот молекул. Освіта такого угрупування не може відбуватися мимовільно: воно вимагає змісту в рідини твердих частинок. Стабільність цих груп може виникнути тільки на поверхні розділу рідини і твердих частинок, так як тут є плівка рідини, що має особливі властивості молекулярної орієнтації, що відрізняють її від решти маси рідини.
При русі води у охлаждаемой стінки перші кристали повинні виділятися у вигляді тонкого шару льоду, так як у неї знаходиться найбільш переохолоджена плівка рідини. що має властивості молекулярної організації, необхідними для утворення стійких угруповань.
Найбільш сприятливими умови будуть тоді, коли теплопередающей стінка по структурі своїй поверхні наближається до структури кристалів льоду і коли теплопередача через стінку проходить інтенсивно. Тому шорсткі металеві стінки, особливо мідні, при інтенсивному охолодженні створюють більш сприятливі умови для утворення перших кристалів льоду, ніж гладкі і поліровані. особливо скляні, при повільному їх охолодженні.
При інтенсивному охолодженні води з температурою вище 0 ° С у металевій стінки утворюється тонкий суцільний шар льоду і переохолодження води різко падає до тисячних часток градуса (практично можна вважати, що переохолодження відсутня). Температура поверхні льоду на кордоні з водою протягом усього подальшого процесу охолодження її залишається постійною і рівною 0 ° С. Дійсно, температура плавлення льоду при атмосферному тиску не може бути вище 0 ° С, так як відомо, що мати подвійну фазу речовина в перегрітому стані не може. З іншого боку, температура може знижуватися лише на тисячні частки градуса. Таким чином, практично температура льоду на кордоні може бути прийнята рівною 0 ° С.
Ця важлива особливість процесу намораживания льоду у охлаждаемой стінки, що омивається водою, дозволяє отримати порівняно прості розрахункові залежності, що характеризують динаміку намораживания льоду в воді плюсової температури.