Незамерзающая вода: Незамерзающая жидкость – 10 лучших незамерзаек

ВОДА НЕЗАМЕРЗАЮЩАЯ — это… Что такое ВОДА НЕЗАМЕРЗАЮЩАЯ?

ВОДА НЕЗАМЕРЗАЮЩАЯ

— влага в мерзлых дисперсных г. п., сохраняющаяся в жидкой фазе при отрицательных температурах, свойственных естественным (природным) климатическим условиям. Количество В. н. зависит не от начальной влажности дисперсной п., а от температуры окружающих г. п.; наибольшее ее количество — при температуре близкой к 0 ° С.

Геологический словарь: в 2-х томах. — М.: Недра. Под редакцией К. Н. Паффенгольца и др.. 1978.

• ВОДА НАПОРНАЯ (ВОСХОДЯЩАЯ)
• ВОДА НЕФТЯНАЯ

Смотреть что такое «ВОДА НЕЗАМЕРЗАЮЩАЯ» в других словарях:

• Вода — получить на Академике рабочий купон на скидку Технопарк или выгодно вода купить с бесплатной доставкой на распродаже в Технопарк

• Зимнее плавание — Основная статья: Физическая культура Купание в проруби (моржевание), Польша.

  Зимнее плавание, моржевание  плавание в открытых водоёмах зимой. Вода, если ещё не превратил …   Википедия

• Стеклоомыватель (автомобиль) — Заливка незамерзающей жидкости в бачок стеклоомывателя автомобиля Стеклоомыватель, разг. омывайка, незамерзающая жидкость, незамерзайка  жидкость, предназначенная для уд …   Википедия

• Иркутск — Город Иркутск …   Википедия

• Енисей — Запрос «Енисей» перенаправляется сюда; см. также другие значения. Енисей Слияние Большого Енисея и Малого Енисея у города Кызыла …   Википедия

• Бурейская ГЭС — Страна …   Википедия

• Саяно-Шушенская ГЭС — Саяно Шушенская ГЭС …   Википедия

• Дунай — укр. Дунай, ст. слав. Доунавъ (Супр.), болг. Дунав, сербохорв. Ду̏нав, Ду̏наво, др. сербск. Дунавь, хорв. Dȕnaj, словен. Dunaj [ Beнa ], чеш. Dunaj, польск. Dunaj; см. Ягич, AfslPh 1, 300 и сл.

  Заимств. через гот. *Dōnawi из кельт. лат. Dānuvius …   Этимологический словарь русского языка Макса Фасмера

• Вырест рыб — развитие оплодотворенных яичек, или икринок (зародышей, мальков), и постепенное образование из них рыбешки, что совершается в течение промежутка времени, продолжительность которого зависит от температуры воды, в которой находятся икринки: чем… …   Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

• Иркутская область — в Вост. Сибирском экон. районе России. Пл. 767,9 тыс. км², включает Усть Ордынский Бурятский авт. округ, адм. центр г. Иркутск. Образована в 1937 г. Занимает ЮВ. Среднесибирского плоскогорья, где преобладают высокие плато (Лено Ангарское и др.) и …   Географическая энциклопедия

• Рейн — У этого термина существуют и другие значения, см. Рейн (значения). Рейн нем. Rhein, фр. Rhin, нидерл. Rijn …   Википедия

Антифриз (незамерзающая жидкость) для системы отопления дома

Состав антифризов

В основном антифризы включают разного рода присадки, необходимые для придания раствору необходимых качеств. Например:

• предотвращение разрушение уплотнителей системы;
• растворение и вывод накипи и осадков, которые накапливаются в системе со временем;
• коррозийная защита металлов, которые входят в состав системы отопления.

Заливай и пользуйся?

Казалось бы, если есть проблема – риск замерзания воды в системе отопления — незачем медлить, нужно заливать антифриз. Ведь в наших условиях отключение электроэнергии на продолжительное время – обычное дело, причем без предупреждения. А значит, в зимнее время могут возникнуть серьезные проблемы в частных домах. Но есть еще одна сложность. Многие производители отопительных котлов категорически не рекомендуют применять антифризы в системах, в которых участвуют их устройства. Возникает резонный вопрос, почему?

Причины, по которым производители котлов отказывают в использовании антифриза

Производитель «Протерм» (Словакия) заявляет о том, что не несет ответственности за последствия, вызванные применением антифризов. Чугунные котлы, изготавливаемые компанией, не предназначены для взаимодействия с незамерзающими жидкостями. Vaillant (Германия) еще более категоричен, заявляя о том, что в настенных котлах использовать незамерзающие жидкости нельзя! Что касается иных производителей, то здесь все запутаннее. Некоторые из них информируют об использовании в конструкции котлов специальных прокладок из паронита, которые подходят ко многим видам антифризов. Однако при этом не афишируется обратная сторона медали: сложности с уплотнителями – не единственная проблема при применении антифризов.

Какие существуют проблемы при использовании незамерзающей жидкости в отопительных системах?

Проблема №1

Поскольку вода и антифриз имеют различные физические показатели, при проектировании системы отопления следует учитывать, будет использоваться та или иная жидкость. Базовые расчеты делаются, конечно, для воды. Если же планируется использование антифриза, потребуется изменить некоторые параметры системы:

• мощность котла;
• на 60% увеличить напор циркуляционного насоса;
• на 50% увеличить объем расширительного бака;
• на 50% увеличить тепловую мощность радиаторов.

Проблема №2

Антифризы на базе этиленгликоля имеют одну особенность – «не любят» перегрева системы. Например, если в любой точке системы температура превысит критическую для данной марки смеси, произойдет разложение этиленгликоля и присадок, в результате реакции образуются твердые осадки и кислоты. При выпадении осадков на нагревательные составляющие котла появляется нагар, в результате чего снижается теплообмен, стимулируется появление новых осадков, увеличивается вероятность перегрева.  

Образованные при разложении этиленгликоля кислоты вступают в реакцию с металлами системы, в результате чего возможно развитие коррозийных процессов. Разложение присадок способно вызвать снижение защитных характеристик состава по отношению к уплотнителям, что может вызвать течь в местах соединения. Если система имеет цинковое покрытие, использование антифриза недопустимо. При перегреве появляется повышенное пенообразование, а это значит, что гарантировано завоздушивание системы. Следовательно, чтобы все эти явления исключить, нужно жестко контролировать отопительный процесс. Поскольку производителям котлов неизвестны физические свойства используемых теплоносителей (кроме воды), они исключают их применение.

Проблемы №3

Антифризы имеют повышенную текучесть. Следовательно, увеличение количества соединительных мест и элементов влечет за собой рост вероятности образования протечек. Причем в основном такая проблема появляется при остывшей системе, когда отопление выключено. При охлаждении объем металлических соединений уменьшается, появляются микроканалы, по которым и сочится состав. Поэтому важно, чтобы все соединения системы были доступны. Учитывая токсичность антифризов, их нельзя применять для нагревания воды в системах ГВС. В противном случае смесь может попасть в точки разбора горячей воды, что представит опасность для жильцов.

Незамерзающая жидкость для системы отопления частного дома: свойства и характеристики

Автор Евгений Апрелев На чтение 5 мин.

Просмотров 2.2k.

В подавляющем большинстве автономных систем отопления (СО) частных домов в качестве теплоносителя используется обычная вода, которая обладает достаточной теплоемкостью, оптимальной для циркуляции плотностью и низкой стоимостью. Но в определенных условиях ее использование затруднительно или невозможно. Поэтому домовладельцы применяют различные незамерзающие жидкости для системы отопления частного дома. О видах антифризов, достоинствах и недостатках и самостоятельном изготовлении «незамерзайки» для отопительной системы дома и пойдет речь в данной публикации.

[contents]

Назначение и состав антифриза

Основной причиной использования незамерзающей жидкости в системах отопления является возможность воздействия на теплоноситель отрицательных температур. Кроме этого, использование воды отопительном контуре, выполненном из металлических труб, рано или поздно приводит к образованию накипи и коррозии последних.

Любая незамерзающая жидкость для системы отопления состоит из:

• Основы. Все антифризы имеют водную или спиртовую основу.
• Активного компонента, назначение которого – это снижение порога кристаллизации воды.
• Присадок, которые отвечают за придание составу необходимых свойств и эксплуатационных характеристик.
• Ингибиторов, которые снижают коррозийные воздействия состава на материалы СО.

В качестве основного компонента большинства антифризов, присутствующих сегодня на отечественном рынке, можно выделить:

• Пропиленгликоль. В состав входят: дистиллированная вода 50 %; основной компонент 46%; присадки и ингибиторы 4%. Может применяться как в открытых, так и в закрытых  высокотемпературных СО с твердотопливным котельным оборудованием.

• Этиленгликоль. Данный антифриз в систему отопления дома имеет состав: вода 31%; основной компонент 63%; присадки и ингибиторы 6%.

  Важно! В связи с высокой токсичностью (в парообразном состоянии), этиленгликоль разрешен к применению только в закрытых СО.

• Глицерин. «Незамерзайка» на основе глицерина не опасна для здоровья человека, пожаробезопасная и может применяться в любых СО. Технические характеристики глицериновых составов существенно ниже, чем у гликолевых.

  Важно! Составы незамерзающих гликолевых и глицериновых теплоносителей для СО известны, но делать их своими руками достаточно сложно из-за проблем с правильной дозировкой и подбором необходимых присадок. Несоблюдение пропорций и технологии производства ведет за собой повышение вспенивания при нагреве «незамерзайки» и уменьшения теплоотдачи самодельного теплоносителя.

Особенности использования незамерзающих жидкостей

Гликолевые антифризы для системы отопления загородного дома – наиболее распространены на отечественном рынке. Перед заливкой готовой смеси в СО дома следует учесть некоторые моменты, а именно:

1. Все водно-гликолевые составы обладают большей (чем вода) тягучестью. Для компенсации увеличившегося гидравлического сопротивления необходимо применить более мощное насосное оборудование или заставить насос вращаться быстрее.
2. Специалисты отмечают, что у глицериновых и гликолевых «незамерзаек» значительно больший коэффициент расширения при нагреве. Если вы решились на переход с воды на антифриз, то следует предусмотреть расширительную емкость большего объема.
3. Все гликолевые и глицериновые антифризы имеют меньшую теплоемкость. Другими словами, они на 15-20% доносят тепла к приборам отопления. Если вы хотите, чтобы эффективность отопительной системы при переходе на «незамерзайку» не снизилась, то следует предусмотреть радиаторы большей мощности.

Совет: Есть вариант, который не требует увеличения мощности батарей: необходимо увеличить скорость движения теплоносителя в контуре.

Ограничение применения незамерзающих жидкостей в системах теплоснабжения

В данной публикации не будут рассмотрены положительные стороны гликолевых антифризов. Об это прекрасно позаботились производители и маркетологи. На самом деле, далеко не все незамерзающие теплоносители подходят к определенному типу котельного оборудования. Неправильный подбор может привести к выходу из строя теплообменника теплогенератора.

Важно! Большинство моделей двухконтурных котлов отопления не могут работать с антифризами из-за возможного попадания теплоносителя (при аварийной ситуации) в систему ГВС дома.

1. Запрещено применение этиленгликоля в открытых СО.
2. Не рекомендуется применение гликолевых антифризов в СО с оцинкованным трубопроводом. При взаимодействии, защитный слой цинка разрушается, что может привести к выходу из строя участка отопительного контура.
3. Водно-гликолевые «незамерзайки» негативно влияют на резиновые уплотнения. Единственным вариантом избежать аварии, в такой ситуации, является замена резиновых прокладок на паронитовые.

Важно! Глицериновый антифриз, наряду с низкой стоимостью, имеет одно существенное преимущество – благоприятное воздействия на состояние уплотнительных резиновых прокладок.

Хорошая «незамерзайка» своими руками

Итак, что делать, если применять воду в качестве теплоносителя СО невозможно, а переходить на покупной антифриз нет технической возможности? Есть выход: самостоятельное изготовление незамерзающего теплоносителя, который по своим техническим и эксплуатационным характеристикам будет максимально приближен к воде, но не будет замерзать. Такую смесь сделать достаточно просто: нужно смешать дистиллированную воду с этиловым спиртом. Такая самодельная «незамерзайка» обладает следующими характеристиками:

• Вязкость и плотность чуть выше, чем у очищенной воды, но значительно ниже, чем у гликолевых антифризов.
• Текучесть водно-спиртового раствора намного ниже, чем у гликолевых и глицериновых теплоносителей.
• Спирт препятствует образованию коррозии. Становится возможным применение алюминиевых и стальных радиаторов отопления для дачи с антифризом из спирта и дистиллированной воды.
• Водно-спиртовой раствор не воздействует на резиновые уплотнения.
• Спирт в составе теплоносителя снижает образование накипи, который неизбежно появляется при использовании жесткой воды.
• Температура кипения водно-спиртового раствора приблизительно равна температуре кипения воды.

Чтобы изготовить спиртовую «незамерзайку», следует исходить из температурных характеристик состава. Пропорции следующие:

• 20% процентный раствор выдерживает температуру -10°С.
• 33% процентный спиртовой теплоноситель остается в жидком состоянии при -23°С.
• 40%  процентный раствор не замерзает при -29°С.

Совет: Для самостоятельного создания данного теплоносителя очень важно правильно рассчитать дозировку спирта (обычно 96%) и воды. Наиболее распространенный водно-спиртовой раствор имеет  в составе 33% спирта. Для расчета нужно 96/33= 2,9. Другими словами, на 1 литр 96% спирта нужно 2,9л. дистиллированной воды.

незамерзающая вода в мерзлоте — Общество

Вода – основа жизни на нашей планете. Это все мы усвоили ещё в школе. Вода – самое распространённое на Земле химическое соединение. Около 95% её приходится на моря и океаны, менее 2% существует в виде льдов и снега Арктики, Антарктики и высокогорных ледников, примерно столько же составляют грунтовые воды, несколько меньше воды находится в реках и озёрах и лишь совсем небольшая часть – это водяные пары в атмосфере (облака, тучи и туманы). Но очень редко люди вспоминают о том, что ещё некоторая часть воды (в основном, в виде льда) присутствует в вечной мерзлоте. Да, количество её несущественно, по сравнению с водой в форме ледников, однако вполне сопоставимо с общим количеством воды в реках и озёрах нашей планеты.

Что ещё мы хорошо помним о воде из школьного курса, так это то, что пресная вода переходит в лёд при 0^оС. А если в воде растворить какие-нибудь соли, то замерзать она будет уже в спектре отрицательных температур. И чем выше минерализация этого раствора, тем ниже будет его температура замерзания. Поэтому логично предположить, что в мерзлоте, характеризующейся отрицательной температурой, не вся вода будет находиться в виде ледяных кристаллов. И это действительно так. В ней всегда существует незамёрзшая вода. Только увидеть эту незамёрзшую воду невооружённым глазом можно далеко не всегда, потому что она существует не только на макро-, но и на микроуровне.

Температура замерзания воды в природных условиях зависит от соотношения и количества растворённых в ней веществ. Замерзание морской воды с солёностью, равной средней солёности Мирового океана (35‰), происходит при температуре около −1,8°C. Морская вода солёностью 10‰ замерзает при температуре 0,5°C, а солёностью 40‰ уже при температуре –2,2°C.

Большие объёмы незамерзающей воды в мёрзлых толщах обычно приурочены к водонасыщенным грунтовым линзам и прослоям и имеют общее название – криопэги. И хотя существуют они столько же, сколько и вся мерзлота, специальное их исследование началось относительно недавно, в середине XX века; тогда же появился и термин «криопэги». В ту пору среди геокриологов (называвшихся в те времена мерзлотоведами) шла бурная дискуссия по вопросам терминологических определений всего, что связано с вечной мерзлотой. Именно в этот период в научный обиход вошли определения «многолетне- и сезонномёрзлых» горных пород, как содержащих лёд. Породы же, не содержащие воды и льда, но имеющие отрицательную температуру, стали называть «морозными». А горные породы с температурой ниже 0°С, насыщенные незамёрзшими солёными водами и рассолами, получили название «охлаждённых». Но вот такие названия, как «мокроморозные породы» или «жидкая мерзлота», не прижились и оказались за бортом научной терминологии. Хотя по мнению некоторых учёных, например, Владимира Романовича Алексеева, доктора географических наук, профессора, работающего в Институте мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН, термин «жидкая мерзлота» отражает самое главное – тепловое состояние вещества и его «консистенцию» — и вполне мог бы стать российским аналогом термина «криопэги».

Криопэги – природные засолённые воды (рассолы), имеющие отрицательную температуру, но находящиеся в жидком состоянии. Чаще всего этот термин применяется к подземным природным водам, но может использовaться и в более широком смысле.

Первую развёрнутую классификацию отрицательно-температурных природных вод (криопэгов) ещё в 70-х годах прошлого века предложил выдающийся гидрогеолог и мерзлотовед Нестор Иванович Толстихин. Им были выделены три главные категории криопэгов – озёрные, морские и подземные. Каждая из этих категорий подразделялась на более дробные единицы, что в совокупности давало представление о масштабности распространения криопэгов и их разнообразии на земном шаре. В последующие годы учёные продолжили работы над классификацией криопэгов, учитывающей основные идеи Н.И. Толстихина, разделяя их по времени существования и температуре, а также по положению относительно вмещающей среды (горных пород, льдов и воды).

И здесь мы хотели бы, обращаясь к названию нашей статьи, начать говорить о парадоксах. Первым из них, и наиболее очевидным для человека, изучавшего основы физики в средней школе, является наличие солёных вод во льдах. Мы знаем, что природный лёд обычно значительно чище, чем вода, из которой он образуется, так как при кристаллизации воды в первую очередь в ажурную решётку выстраиваются молекулы воды, поэтому одиночные кристаллы льда должны быть ультрапресными, а из растаявшего льда получается самая чистая вода, лишённая примесей. Но что же происходит с механическими примесями и растворёнными в замерзающей воде солями? Они отжимаются вовне растущими кристаллами льда. Так в формирующихся массивах ледяных покровов появляются прослои воды с повышенной минерализацией вплоть до рассолов в сотни граммов на один литр – криопэги, которые иногда образуют настоящие «залежи» солёных вод среди многометровых ледяных толщ.

Морские криопэги существуют далеко за пределами границы распространения плавучих льдов (фото из открытых источников).

Ещё один парадокс – существование криопэгов в водной среде: солёные воды с температурой ниже 0^оС. Морские криопэги по общему объёму составляют значительную часть мирового океана и существуют далеко за пределами границ распространения плавучих льдов. К районам с морскими криопэгами относится практически весь Северный Ледовитый океан, северные части Тихого и Атлантического океанов и, конечно, океанические воды вокруг Антарктиды. Вероятно, более плотные солёные воды с температурой до –1,5° С стекают по материковому склону на дно Мирового океана на глубину более 3 км и распространяются далеко от места своего формирования в сторону экватора. Учёные не исключают, что именно с этими морскими криопэгами генетически связана перестройка течений в экваториальной части Тихого океана, влияющая на климат нашей планеты. Общая масса отрицательно-температурных морских вод не подсчитана, недостаточно изучены законы их существования во времени и пространстве. Тем не менее, с уверенностью можно утверждать, что океаническая «жидкая мерзлота» по объёму в несколько раз превышает свой континентальный аналог.

Подземные криопэги в толщах мёрзлых горных пород не столь грандиозны по объёму, как морские отрицательно-температурные воды, но вполне могут конкурировать с криопэгами в поверхностных морских льдах. И именно о них нам хотелось бы поговорить более подробно в связи с их широким распространением в российской Арктике.

Распространение подземных криопэгов по площади совпадает с границами криолитозоны, а происхождение связано со следующими процессами:

— проникновением морских вод в толщу прибрежных горных пород;

— растворением солей, содержащихся в составе вмещающих подземную воду горных пород;

— криогенным концентрированием (вымораживанием) веществ, растворённых в подземных водах вследствие процессов их промерзания.

Морской тип засоления грунтов распространён по всему побережью Северного Ледовитого океана, как на арктических островах, так и на территории плейстоценовых морских трансгрессий на евразийском и северно-американском континентах. Здесь криопэги формировались при насыщении осадков морскими водами. При промерзании осадков часть солей из их поровых растворов отжималась вниз по разрезу по мере движения фронта промерзания горных пород и концентрировалась там, подвергаясь в последующем неоднократным криогенным преобразованиям (метаморфизации). Глубина залегания криопэгов в соответствии с мощностью криолитозоны сегодня может достигать нескольких сотен метров. Минерализация их непостоянна как по площади, так и по глубине, и может изменяется в широких пределах. Так, на полуострове Ямал она варьируется от 5 до 150 г/л. Местоположение криопэгов также непостоянно – они могут мигрировать в толщах мёрзлых пород. А температура начала их замерзания может опускаться на несколько десятков градусов ниже 0°C. Характерной особенностью криопэгов является их способность охлаждать вмещающие горные породы в процессе просачивании в нижние горизонты и тем самым понижать общую температуру массива, увеличивая мощность криолитозоны.

По температуре криопэги в природе могут разделяться на несколько категорий, от умеренно холодных (с температурой от 0 до -2^оС) до сверх-холодных (с температурой ниже -36^оС).  Криопэги не замерзают даже при низких температурах в результате высокой минерализации (до 200 — 300 г/л).

Целенаправленное изучение подземных криопэгов началось сравнительно недавно, в последние 40-50 лет. Выяснилось, что они оказывают негативное влияние на фундаменты инженерных сооружений, построенных на мерзлоте, и создают различные осложнения при разработке полезных ископаемых в арктическом регионе. Оказалось, что арктическая мерзлота изобилует солёными водами, которые могут встречаются в различных частях разреза криолитозоны: в верхнем сезоннопротаивающем слое (надмерзлотные криопэги), в нижележащей многолетнемерзлой толще (внутри- или межмерзлотные криопэги), в подмерзлотных водоносных горизонтах (подмерзлотные криопэги).

Здесь нам хочется обратить внимание на ещё один момент, который также можно отнести к парадоксам существования незамерзающих подземных вод в вечной мерзлоте. В естественных условиях криопэги обычно не причиняют ущерба и вреда, поскольку все компоненты экосистемы северной природы находятся в определённом равновесии. Однако вмешательство человека, его непродуманная деятельность может вызвать настоящую агрессию со стороны мерзлоты вообще и криопэгов в частности. Например, криопэги в верхних горизонтах криолитозоны, если не учитываются их характерные свойства, могут ухудшать функционирование подземных коммуникаций, разрушать фундаменты зданий и сооружений, снижать устойчивость опор линий связи и электропередачи, вызывать коррозию заглублённых трубопроводов, а также ухудшать экологические условия существования почв, растительности, животного мира и человека. 

Да и сам человек способен сформировать криопэги там, где их ранее не было, и где остальная природная среда не готова к равновесному взаимодействию с внезапно возникшим новым элементом. В отличие от природных криопэгов, формирующихся в течение сотен лет, техногенные криопеэги, возникающие в условиях интенсивной хозяйственной деятельности человека, а также химического загрязнения территории при сбросах бытовых и техногенных вод, могут образоваться в течении первых 10 – 15 лет.

В криолитозоне различают естественные и техногенные криопэги. Естественные криопэги часто залегают ниже подошвы многолетнемёрзлых пород, но встречаются также в виде прослоев и линз внутри мерзлоты. Техногенные криопэги обычно залегают на небольших на глубинах, исчисляемых первыми десятками метров от поверхности. Их минерализация может составлять от 1 до 10 г/л.

Глубоко залегающие межмерзлотные и подмерзлотные криопэги тоже могут начать «мстить» человеку за вмешательство в жизнь вечной мерзлоты. Например, проходку карьеров, вскрывающих криопэги, невозможно осуществить без откачки солёных вод. В первоначальный период горных разработок рассолы часто сбрасывали в речную сеть, некогда славящуюся своей чистотой и ценными породами промысловых рыб, тем самым нанося невосполнимый урон природе. Позже стали строить специальные бассейны-накопители, однако из хранилища рассолов продолжались утечки сквозь плотину, а нередко случались и аварийные сбросы. Потом появилась идея закачивать дренажные рассолы в толщу вечной мерзлоты или подмерзлотные горизонты, поскольку в процессе разведочного бурения там фиксировались зоны повышенной проницаемости, которые могли служить коллекторами. Однако дренажные рассолы, закачанные в толщу горных пород, могли возвращаться обратно в горную выработку, проникая через противофильтрационную завесу, откуда их снова приходилось откачивать, а потом находить новые резервуары для захоронения, как это было, например, в Западной Якутии при разработке алмазов.

    Выход захороненных рассолов сквозь противофильтрационную завесу карьера трубки «Мир». Фото отсюда.

А вот ещё один парадокс криопэгов: несмотря на высокую минерализацию и низкую отрицательную температуру, в криопэгах, оказывается, существует жизнь! Конечно, нам сразу вспоминаются морские криопэги. Да, условия жизни в холодных водах не очень благоприятны, однако морские экосистемы Арктики и Антарктики занимают одно из ведущих мест в структуре природных комплексов земного шара. Основу жизни в морских криопэгах составляет фито- и зоопланктон. Его активность зависит от продолжительности существования ледяного покрова: зимой продуктивность затухает, весной резко увеличивается. В Арктике относительно тёплое, хотя и короткое, лето приносит оживление и изобилие. Морская вода над континентальным арктическим шельфом в это время года буквально кишит живыми существами. Они почти неразличимы человеческим глазом, но это не мешает им быть хорошей кормовой базой для рыб и птиц, китов и тюленей.

Но ещё более удивительным явлением представляется способность подземных криопэгов консервировать и длительное время сохранять жизнеспособные микроорганизмы в вечной мерзлоте! Учеными были обнаружены микробы в мёрзлых отложениях самого разного состава и происхождения, имеющих среднегодовую температуру до –18°С в Арктике и до –38°С в Антарктиде. Количество микроорганизмов в 1 г мёрзлой породы может изменяться от 100 тыс. до 100 млн., что на несколько порядков больше, чем во льду. Помимо бактерий, там могут встречаться водоросли, грибы и даже высшие растения. Примерно 20% микробных сообществ, выделенных из образцов мёрзлой породы, растут при температуре ниже –10°С, активны до –40°С, причём многие микроорганизмы выносят температуру –60°С и ниже. Видовой состав жизнеспособных существ в обособленных линзах криопэгов, а также в мёрзлых грунтах, где их сохранность при низких температурах обеспечивается во многом за счёт плёнок незамёрзшей воды, условия распределения и индикаторные свойства микроорганизмов в настоящее время активно изучают российские и зарубежные учёные. Это обусловлено тем, что сообщества микроорганизмов, адаптированных к условиям жизни в вечной мерзлоте, могут нести информацию не только о её эволюции в четвертичный период, но и пролить свет на более отдалённые эпохи, вплоть до начала возникновения жизни на Земле.

В отложениях Колымской низменности вскрыты линзы криопэгов с жизнеспособными редкими микроорганизмами, возраст которых составляет четверть миллиона лет. Справа стоит доктор геолого-минералогических наук Давид Гиличинский. Фото отсюда.

Сегодня изучением криопэгов занимаются учёные различных специальностей: геокриологи и инженеры-строители, геохимики и экологи, географы и гидрологи, биологи и почвоведы. И каждая научная дисциплина вносит свой вклад в познание этой парадоксальной «жидкой мерзлоты».

А мы, продолжая свой рассказ о незамерзающей воде, спустимся от макроуровня криопэгов на микроуровень жидкой фазы в монолитной и внешне достаточно прочной мёрзлой породе.

И здесь мы сталкиваемся с очередным парадоксом, заключающимся в том, что мёрзлая порода, имеющая температуру ниже 0^оС, кроме органо-минерального скелета и льда всегда содержит в своём составе и какое-то количество незамёрзшей воды. То есть, при достижении грунтом отрицательной температуры, не вся вода в поровом пространстве переходит в лёд – часть её остается в жидком состоянии. Это и есть так называемая незамёрзшая вода, количество которой зависит от величины отрицательной температуры и нелинейно убывает с понижением температуры. Здесь следует упомянуть известный «принцип Цытовича» о равновесном состоянии воды и льда в мёрзлых грунтах, сформулированный ещё в середине ХХ века профессором Николаем Александровичем Цытовичем, крупнейшим советским специалистом в области механики мёрзлых грунтов. Суть этого принципа состоит в том, что содержание незамёрзшей воды в конкретном мёрзлом грунте является, при фиксированной отрицательной температуре, постоянной величиной.

Количество незамёрзшей воды в грунте зависит от многих факторов и прежде всего – от состава частиц и агрегатов, которые слагают скелет породы, а также от количества растворённых в поровом растворе солей. Известно, что грунтовая вода в поровом пространстве энергетически неоднородна. Различают свободную воду, которая практически не связана со скелетом, и связанную воду, которая, в свою очередь, подразделяется на капиллярную и плёночную.

Свободная вода, которая содержится в трещиноватых скальных, крупнообломочных породах и песках, обладает обычными свойствами жидкой фазы – передвигается под действием силы тяжести, заполняет почти все крупные пустоты. Пресная свободная вода замерзает практически вся при 0^оС, однако с увеличением её минерализации температура замерзания постепенно понижается. Теоретически температура грунтовой воды может понизиться до эвтектической (например, для NaCl она будет соответствовать -21.2^оС), когда начинается выпадение солей из раствора.

Несколько сильнее связана с грунтом капиллярная вода, которая содержится в грунтах большей дисперсности (пылеватых и глинистых), передвигается и удерживается в них за счёт капиллярного натяжения и силы тяжести, начинает вымерзать в зависимости от уменьшения размеров капилляров при температурах от -1^оС до -12^оС и даже ниже. По своей природе капиллярная вода занимает промежуточное положение между свободной и связанной. Она может относиться как к той, так и к другой, в зависимости от размера (диаметра) капилляра и, соответственно, силы взаимодействия с поверхностью скелета грунта.

Расположение различных категорий поровой воды относительно поверхности грунтовой частицы: 1 – минеральная частица; 2 – прочносвязанная вода; 3 — рыхлосвязанная вода; 4 – свободная вода.

Следующая по силе взаимодействия с грунтом — связанная вода, которая удерживается на грунтовых частицах за счёт поверхностной энергии этих частиц. Чем ближе молекула воды к частице грунта, тем сильнее она к ней притягивается за счёт водородных связей. Прочносвязанной водой являются первые несколько слоёв молекул воды на поверхности частиц или даже отдельные островки молекул. Рыхлосвязанная вода образует плёнки, которые вымерзают в спектре отрицательных температур в зависимости от их толщины.Прочносвязанная вода имеет повышенную плотность и замерзает самой последней при очень низких отрицательных температурах – около -80°С. И если в реальности такие температуры для воздуха ещё возможны, например, в Антарктиде, то столь низких значений температуры мёрзлых пород в естественной природе не существует (их можно смоделировать только в лабораторных условиях). Поэтому мы можем вполне обоснованно утверждать, что в любых мёрзлых породах в Арктике на микроуровне всегда содержится какое-то количество незамёрзшей воды!

 

Основные компоненты мёрзлой породы: 1 – минеральные частицы; 2 – лёд; 3 – незамёрзшая вода.

Тут справедливости ради надо сказать, что всё же основная часть воды в мёрзлых породах замерзает и присутствует в виде твёрдой фазы – льда, который является важнейшим породообразующим минералом в мёрзлой породе. Весь этот лёд принято называть подземным, независимо от особенностей его образования и характера залегания. Лёд может присутствовать в мёрзлой породе в виде текстурообразующего не различимого невооружённым глазом льда-цемента, в виде отдельных визуально различимых включений (линз и прослоек), а также в виде крупных и даже гигантских скоплений и пластов. Но в любом льду, как в ультрапресном, так и в засолённом, обязательно присутствует незамёрзшая вода либо в виде плёнок вокруг отдельных кристаллов, либо в виде локализованных в порах, пустотах и карманах скоплений воды, обычно имеющих повышенную засолённость – это своего рода «криопэги в миниатюре».

Обнажение залежей подземного пластового льда (фото из открытых источников)

Итак, мы убедились в том, что в любой мёрзлой породе всегда присутствует какое-то количество незамёрзшей воды. И если бы не её наличие в мёрзлой породе, пусть даже в виде тонких плёнок, то свойства и поведение мёрзлых пород были бы несколько иными, поскольку именно количество незамёрзшей воды влияет почти на все физические и механические свойства мёрзлых пород. Очевидно, что чем меньше становится количество незамёрзшей воды в мёрзлой породе, тем порода делается прочнее, что обычно происходит при понижении отрицательной температуры. Однако внешнее воздействие на мёрзлую породу, например, давление, может приводить к таянию льда, то есть переходу части молекул воды в более подвижное состояние, в результате чего плёнки незамёрзшей воды на поверхности минеральных частиц и кристаллов льда утолщаются. И мёрзлая порода начинает вести себя как более высокотемпературная и вязкая среда, приближаясь по своим механическим характеристикам к талой (немёрзлой) породе. При этом, если воздействие на мёрзлую породу, пусть даже весьма существенное, производится короткое время, она сопротивляется нагрузкам, как прочная скальная порода, поскольку плавление льда и сдвиг грунта по плёнкам незамёрзшей воды не успевают произойти. Но под действием длительной и возрастающей нагрузки в мёрзлых породах с течением времени начинают развиваться деформации и явление ползучести, когда порода проявляет пластические свойства и как бы течёт под нагрузкой, что может привести к потере прочности и полному её разрушению. Эти реологические свойства мёрзлых пород должны всегда учитываться при проектировании инженерных сооружений в Арктике и планировании хозяйственной деятельности на северных территориях. А основная причина всех этих проблем – уже знакомая нам незамёрзшая вода!

Мёрзлые грунты по своему агрегатному состоянию являются твёрдыми телами, однако наличие в них незамёрзшей воды и льда обусловливает проявление реологических свойств.

Реология — (от греческого «rheos» — течение) — наука об изменениях во времени напряжённо-деформированного состояния любой сплошной среды.

О незамерзающей воде в мёрзлых породах можно было бы рассказать ещё много интересного. Например, о том, что при вымерзании насыщенных солями водных плёнок на их месте образуются новые криогенные минералы. Или о том, как по неизолированным (сообщающимися друг с другом) рыхлым плёнкам незамёрзшей воды мигрируют ионы солей или микроорганизмы, и иногда на значительные расстояния от места своего проникновения в плёночную воду. А ещё – о том, как высокое содержание незамёрзшей воды «стирает» разницу в показателях для талых и мёрзлых пород при интерпретации данных геофизических исследований (акустических, электрических), в результате чего часто невозможно провести границу между талыми и мёрзлыми породами.

Но все это, и ещё много другое мы вынуждены оставить за рамками этой ознакомительной статьи. И мы будем рады, если то немногое, что нам удалось рассказать, сможет пробудить в читателях интерес к такому парадоксальному, на первый взгляд, явлению, присущему Арктике, как существование в мёрзлых породах незамерзающей воды.

Авторы: Чувилин Е. М., Соколова Н.С., Центр добычи углеводородов Сколтеха.

Незамерзающая жидкость (незамерзайка омывайка) зимняя -25С

Наличие

Наименование: Незамерзающая жидкость 5л. (незамерзайка омывайка) зимняя -25С
Артикул: DC448
Наличие на складе Дастершоп77 (по состоянию на 26.04.21): >10 шт.

Применяемость
Незамерзающая жидкость 5л. (незамерзайка омывайка) зимняя -25С подходит для :
Товар является универсальным, либо информация о применяемости не указана. Купить товар «Незамерзающая жидкость 5л. (незамерзайка омывайка) зимняя -25С» часто решают владельцы автомобилей: Рено Дастер 2011-2015, Рено Дастер 2015-2019, Рено Дастер 2019-2021, Рено Дастер 2021-2024, Ниссан Террано 2014-2017, Ниссан Террано 2017-, Рено Каптур 2016-, Рено Колеос 2017-, Рено Логан 2009-, Рено Логан 2014-, Рено Сандеро 2009-, Рено Сандеро 2014-, Сандеро Степвей 2010-, Сандеро Степвей 2014-, Лада Ларгус 2012-, Лада Веста, Лада Веста SW, Лада Веста SW Cross, Лада X-Ray, Рено Аркана 2019-

Всегда на нашем складе в Москве
В отличие от многих других интернет-магазинов мы работаем со своего склада, в карточках товара указано актуальное количество товара, находящееся на нашем складе и доступное для покупки. Если товар находится на удаленном или промежуточном складе и на его доставку до нашего склада требуется дополнительное время, то это обязательно указывается в карточке товара.

Качество
Только качественная, проверенная продукция
В отличие от многих других интернет-магазинов мы работаем только с проверенными поставщиками. Мы знаем товар, который продаем, уверены в его происхождении и качестве. Остерегайтесь подделок в других магазинах, ввиду высокой популярности сейчас их стало слишком много. В нашем магазине продается только оригинальная продукция. Наш магазин — первый из тех, кто начал продвигать товары российских производителей, нас знают владельцы автомобилей Рено, Ниссан, Лада, Шевроле, Хендай и других марок во всех регионах РФ, а самое главное — нам доверяют. За счет опыта и знаний мы оставляем конкурентов позади, а наши Клиенты получают товар лучшего качества!

Где еще найти похожие товары
Дополнительные категории, которые связаны с товаром Незамерзающая жидкость 5л. (незамерзайка омывайка) зимняя -25С:

Масло для Рено Дастер

Оплата

Оплата наличными
при получении заказа курьеру, либо при получении посылки на почте или при самовывозе товара из магазина

Банковский перевод
перевод средств на лицевой счет магазина через любое отделение Сбербанка или оплата переводом на карту Сбербанка

Наложенный платеж, Почта РФ
оплата в отделении на почте при получении посылки

Яндекс Деньги
перевод средств на Яндекс кошелек магазина

Доставка

Вы можете купить товар «Незамерзающая жидкость (незамерзайка омывайка) зимняя -25С» в Москве и с доставкой по России. В Москве товар «Незамерзающая жидкость (незамерзайка омывайка) зимняя -25С» можно забрать самостоятельно со склада магазина или заказать доставку курьером. Также мы можем отправить Ваш заказ Почтой по указанному Вами адресу. Для совершения покупки добавьте нужные позиции в корзину и оформите заказ, или свяжитесь с менеджером магазина по телефону, указанному в шапке сайта. Мы будем рады помочь Вам в приобретении!

Доставка по Москве 500р
доставляем товары по адресу в удобное для Вас время без предоплаты

Доставка по РФ от 600р
отправляем Почтой наложенным платежом с оплатой при получении, транспортными компаниями по РФ и за её пределы

Самовывоз со склада г.Москва
Вы можете забрать заказ самостоятельно со склада по адресу: г.Москва, ул.Ротерта д.2
Обязательно согласуйте забор заказа с менеджером по телефону.

Установка и сервис

Доступна услуга по установке автомобильных аксессуаров и запчастей
Клиентам в Москве доступна услуга по установке приобретенных товаров! Стоимость работ можно узнать в разделе «Установка и сервис». Если в списке отсутствует услуга по установке необходимой детали, то менеджер сообщит ее дополнительно, обращайтесь за уточнением стоимости удобным способом или напишите комментарий к заказу.

Чистые стекла — всегда! Незамерзающая жидкость стеклоомывателя

Уж кому, как не автомобилистам, знать, что чистые стекла являются самым верным залогом безопасности движения.

Зимой, как известно, обычная вода замерзает. Как минимум, она никак не сможет попасть на стекло, а, как максимум, разорвет трубопровод или повредит насос. Чтобы не случилось такой неприятности, «незамерзайку» нужно залить в бачок, не дожидаясь, пока температура окружающей среды опустится ниже минус 5^оС.

Простые средства автохимии — зимние незамерзающие жидкости и размораживатели стекол (дефростеры) гарантируют водителю хороший обзор при любых погодных условиях.

Качественная зимняя стеклоомывающая жидкость не должна замерзать раньше положенного, указанного на этикетке, порога — 20 — 25 -30 градусов. Но это не единственное необходимое ей свойство. Ведь лобовое стекло покрывается коварной трудноудаляемой маслянистой пленкой, практически незаметной человеческому глазу в светлое время суток. Водителю о ее существовании становится известно в самый неподходящий момент — при поездках в дождливую или снежную погоду, когда на улице становится темно и четкая дорожная картина вдруг внезапно сменяется расплывчатыми силуэтами встречных автомобилей и световыми бликами. «Незамерзайка» обязана обладать моющими свойствами, не оставляя после себя никаких налетов, подтеков и радужных пленок. Есть и третье требование — не повреждать лакокрасочное покрытие автомобиля, резиновые и пластмассовые детали. И, конечно, запах — он должен быть умеренным и ненавязчивым.

Приятным следствием использования хорошей незамерзайки будет идеальный обзор для водителя во время движения зимой по грязному, засыпанному «химией» шоссе.

Хорошим дополнением к жидкости может служить концентрат омывателя автомобильных стекол в виде таблеточек. Он усиливает моющие свойства незамерзайки, улучшает эластичность резинок стеклоочистителей и, (о чудо!) содержит ароматические масла, повышающие концентрацию зрения и внимательность при вождении!

Размораживатель стекол быстро и эффективно удалит лед со стекол, зеркал, фар, порогов и ступеней от намерзшего льда. Аэрозоли не содержат маслянистых веществ и безопасны для резины, металла и краски. Использовать их очень просто — баллончик нужно хорошенько встряхнуть и распылить на замерзшие стекла, а через несколько минут подтаявший лед можно легко удалить скребком или «дворниками». Размораживатель стекол, кстати, не только очень быстро растворяет лед и снег, но и образует прозрачную защитную пленку, предотвращающую дальнейшее обледенение стекла в течение суток. Внутри салона достаточно протереть чистые стекла смоченной средством салфеткой — отличное средство от запотевания.

При покупке «незамерзайки» помните:

• Зимние стеклоомыватели выпускаются с разной температурой кристаллизации — минус 25 или минус 30^оС. Можно немного сэкономить, осенью покупая «-25^оС», а глубокой зимой «-30^оС».
• Не нужно разбавлять незамерзающие жидкости водой. Дело в том, что щетки стеклоочистителя охлаждаются воздушным потоком намного интенсивнее, чем стекло. Попав на них, вода, содержащаяся в растворе, может замерзнуть.
• Для того, чтобы оставшаяся в трубках и форсунках летняя жидкость не замерзла, ее нужно удалить, включив омыватель на 5-10 секунд.

 

Хозяйке на заметку.

 

Из чего должна состоять омывающая жидкость, кроме воды? Летом в нее желательно добавить поверхностно-активные вещества (ПАВ) — чтобы лучше удалялись загрязнения и не оставались разводы на стекле. Зимой мыльный раствор замерзнет уже при небольшом минусе, так что необходимо разбавить его спиртом. Каким именно? Технологи утверждают, что лучше метилового (метанола) ничего не придумано: и дешево, и сердито… и ядовито. (За рубежом отравиться им не слишком боятся: принимать незамерзайку внутрь «для сугреву души» уважающий себя европеец нипочем не станет, а концентрация паров в салоне при езде по чистым автобанам незначительна.) Наш Минздрав не только предупредил, но и запретил метанол. От греха подальше.

Пригоден спирт этиловый (этанол). Он хорош уже тем, что не сшибает с ног резким запахом и не ядовит. Но облагается таким акцизом, что сделанная на его основе омывайка становится порой дороже водки. Скажем, число на ценнике незамерзайки, сделанной в подмосковном Красноармейске, четырехзначное… Остается изопропиловый спирт. Им и разбавляет воду большинство производителей, создавая себе и потребителям головную боль в буквальном и переносном смыслах: он настолько резко и противно пахнет, что перебить (но не устранить!) эту вонь можно лишь большой порцией отдушек.

И еще одну составляющую содержит большинство незамерзаек — этиленгликоль. Его немного — только чтобы предотвратить быстрое испарение спирта со стекла (иначе оно тут же покроется тонким слоем льда). Если переборщить, жидкость начнет густеть уже при небольшом минусе и, оставаясь вроде бы текучей, перестанет прокачиваться через шланги и форсунки омывателя.

почему град на Юпитере на треть состоит из аммиака — РТ на русском

Французские и американские учёные выяснили, что на Юпитере идёт необычный град с высоким содержанием аммиака. К такому выводу они пришли, проанализировав данные с автоматической межпланетной станции «Юнона». Штормы поднимают кристаллы водяного льда в верхние слои атмосферы, а находящийся там аммиак выступает в роли антифриза. В результате образовавшаяся жидкость проходит через несколько слоёв атмосферы Юпитера, превращаясь сначала в град, а затем в пар.

Астрофизики из Национального центра научных исследований Франции (CNRS) и Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства США (NASA) на основе анализа данных с космического аппарата «Юнона» обнаружили, что на Юпитере идёт град, состоящий на две трети из воды и на треть из аммиака. Об этом сообщается в научных публикациях в журналах Nature и JGR Planets.

Как и на Земле, на Юпитере происходит процесс циклического перемещения воды в атмосфере. Грозовой фронт на этой планете формируется в нижних слоях её атмосферы. Когда юпитерианский шторм набирает силу, он поднимает в верхние слои кристаллы водяного льда.

В новом исследовании французских и американских учёных высказывается предположение, что эти кристаллы взаимодействуют с находящимся в верхних слоях атмосферы аммиаком, который, в свою очередь, действует как антифриз и превращает лёд в жидкость.

Также по теме

Тяжёлые осадки: почему на экзопланете в созвездии Рыб идут железные дожди

На экзопланете WASP-76b в созвездии Рыб идут железные дожди. Об этом заявили европейские астрономы. На освещённой стороне этой…

Образовавшаяся жидкая смесь из 2/3 воды и 1/3 аммиака не замерзает, выдерживая охлаждение до -100 °C и в жидком виде опускается к поверхности планеты. Проходя через находящиеся под слоем аммиачного газа верхние, более холодные слои атмосферы, капли превращаются в градины, а в нижних слоях вновь расплавляются и превращаются в пар.

Исследователи разработали математическую модель, рассчитывающую состав аммиака в атмосферных слоях планеты. По их данным, наибольшая концентрация этого газа наблюдается над экватором Юпитера, тогда как в других широтах его содержание заметно снижается.

Также учёные описали вспышки молний, пойманных в объективы камер «Юноны». В отличие от более ранних наблюдений, в новом исследовании описаны даже небольшие молнии, замеченные в глубоких слоях атмосферы Юпитера, где температура ниже -66 °C, а значит, вода там не может существовать в жидком виде. При этом считается, что присутствие жидкости играет ключевую роль для процесса генерации молний.

Такое наблюдение, по мнению астрофизиков, является подтверждением существования богатой аммиаком незамерзающей воды в атмосфере планеты.

Как отмечают учёные, дальнейшее изучение метеорологии Юпитера и других, ещё не исследованных гигантов (вроде Урана и Нептуна) позволит лучше понимать процессы, происходящие на экзопланетах далеко за пределами Солнечной системы.

Ученые создают воду, которая не замерзает даже при очень низких температурах

Ученые из ETH Zurich и Цюрихского университета нашли способ предотвратить образование кристаллов льда в воде даже при экстремальных отрицательных температурах. При температуре всего 263 градуса по Цельсию вода приобретает аморфные характеристики жидкости. Первым шагом в процессе, обнаруженном исследователем, был синтез нового класса липидов для создания мягкой формы биологического вещества, называемого липидной мезофазой.

В этом материале липиды спонтанно самоорганизуются и объединяются с образованием мембран, которые ведут себя как молекулы природного жира. Мембраны имеют конструкцию, образующую сеть соединенных каналов диаметром менее нанометра. Особенность структуры липидов заключается в том, что в узких каналах внутри нет места для образования кристаллов льда.

Даже при экстремальных минусовых температурах вода и липиды не замерзают. Команда использовала жидкий гелий для охлаждения липидной мезофазы, содержащей химически модифицированный моноацилглицерин, до минус 263 градусов по Цельсию, всего на десять градусов выше абсолютного нуля.Даже при такой очень низкой температуре кристаллы льда не образовывались.

Ученые говорят, что ключом к успеху является соотношение липидов и воды. Содержание воды в смеси контролирует температуру, при которой изменяется геометрия мезофазы. Один из предлагаемых примеров состоит в том, что если смесь содержит 12% воды по объему, структура мезофазы при температуре около минус 15 градусов Цельсия перейдет из кубического лабиринта в пластинчатую структуру.

Ученые говорят, что они смоделировали новый класс липидов на мембранах некоторых бактерий.Эти мембраны помогают бактериям выжить в очень холодных условиях. Команда говорит, что новый класс мягкого вещества, который они разработали, можно использовать в приложениях, где необходимо предотвратить замерзание воды.

Вода, которая никогда не замерзает — ScienceDaily

Изготовление кубиков льда — это простой процесс: вы берете пластиковый поддон для кубиков льда, как в большинстве домашних хозяйств, наполняете его водой и кладете в морозильную камеру.Вскоре вода кристаллизуется и превращается в лед.

Если бы вы проанализировали структуру кристаллов льда, вы бы увидели, что молекулы воды расположены в виде регулярных трехмерных решетчатых структур. В воде, напротив, молекулы неорганизованы, поэтому вода течет.

Стекловидная вода

Группа физиков и химиков из ETH Zurich и Цюрихского университета под руководством профессоров Раффаэле Меззенги и Эхуда Ландау определила необычный способ предотвращения образования кристаллов льда водой, так что даже при экстремальных отрицательных температурах вода сохраняет аморфную форму. характеристики жидкости.

На первом этапе исследователи разработали и синтезировали новый класс липидов (молекул жира), чтобы создать новую форму «мягкого» биологического вещества, известную как липидная мезофаза. В этом материале липиды спонтанно самоорганизуются и объединяются с образованием мембран, ведя себя так же, как молекулы природного жира. Эти мембраны затем принимают однородное расположение, образуя сеть соединенных каналов, диаметр которых составляет менее одного нанометра. Температура и содержание воды, а также новая структура разработанных липидных молекул определяют структуру липидной мезофазы.

Нет места для кристаллов воды

Что такого особенного в этой структуре, так это то, что — в отличие от лотка для кубиков льда — в узких каналах нет места для воды, чтобы образовывать кристаллы льда, поэтому она остается неупорядоченной даже при экстремальных отрицательных температурах. Липиды тоже не замерзают.

Используя жидкий гелий, исследователи смогли охладить липидную мезофазу, состоящую из химически модифицированного моноацилглицерина, до температуры минус 263 градусов по Цельсию, что всего на 10 градусов выше температуры абсолютного нуля, при этом кристаллы льда все еще не образовывались.При этой температуре вода становилась «стекловидной», что исследователи смогли продемонстрировать и подтвердить с помощью моделирования. Их исследование необычного поведения воды в липидной мезофазе было недавно опубликовано в журнале Nature Nanotechnology .

«Ключевым фактором является соотношение липидов к воде», — объясняет профессор Раффаэле Меззенга из лаборатории пищевых продуктов и мягких материалов ETH Zurich. Соответственно, именно содержание воды в смеси определяет температуры, при которых изменяется геометрия мезофазы.Если, например, смесь содержит 12 процентов воды по объему, структура мезофазы при температуре около минус 15 градусов Цельсия перейдет из кубического лабиринта в пластинчатую структуру.

Натуральный антифриз против бактерий

«Что делает разработку этих липидов настолько сложной, так это их синтез и очистка», — говорит Эхуд Ландау, профессор химии в Цюрихском университете. Он объясняет это тем, что молекулы липидов состоят из двух частей; один гидрофобный (отталкивает воду) и один гидрофильный (притягивает воду).«Это делает их чрезвычайно трудными для работы», — говорит он.

Мягкий биоматериал, образованный из липидных мембран и воды, имеет сложную структуру, которая сводит к минимуму контакт воды с гидрофобными частями и максимизирует ее контакт с гидрофильными частями.

Исследователи смоделировали новый класс липидов на мембранах определенных бактерий. Эти бактерии также производят особый класс самоорганизующихся липидов, которые могут естественным образом удерживать воду внутри себя, что позволяет микроорганизмам выживать в очень холодных условиях.

«Новизна наших липидов заключается во введении сильно напряженных трехчленных колец в определенные положения внутри гидрофобных частей молекул», — говорит Ландау. «Они обеспечивают необходимую кривизну для образования таких крошечных водных каналов и предотвращают кристаллизацию липидов».

Мягкая материя для исследований

Эти новые липидные мезофазы будут служить в первую очередь инструментом для других исследователей. Их можно использовать для неразрушающей изоляции, сохранения и изучения больших биомолекул в среде, имитирующей мембраны, например, с помощью криогенной электронной микроскопии.Биологи все чаще обращаются к этому методу для определения структур и функций больших биомолекул, таких как белки или большие молекулярные комплексы.

«В процессе нормального замораживания, когда образуются кристаллы льда, они обычно повреждают и разрушают мембраны и важные большие биомолекулы, что не позволяет нам определить их структуру и функцию, когда они взаимодействуют с липидными мембранами», — говорит Мезенга.

Но не с новой мезофазой, которая является неразрушающей и сохраняет такие молекулы в их первоначальном состоянии и в присутствии другого ключевого строительного элемента жизни, то есть липидов.«Наши исследования прокладывают путь для будущих проектов по определению того, как белки могут сохраняться в своей первоначальной форме и взаимодействовать с липидными мембранами при очень низких температурах», — говорит профессор ETH.

Может ли вода оставаться жидкой при температуре ниже нуля градусов Цельсия?

Категория: Химия
Опубликовано: 9 декабря 2013 г.

Да, вода может оставаться жидкой при температуре ниже нуля градусов Цельсия. Это может произойти несколькими способами.

Температура замерзания воды опускается ниже нуля градусов Цельсия при приложении давления.Public Domain Image, источник: Кристофер С. Бэрд.

Прежде всего, фаза материала (будь то газ, жидкость или твердое тело) сильно зависит как от его температуры , так и от давления . Для большинства жидкостей приложение давления повышает температуру, при которой жидкость замерзает до твердого состояния. Твердое тело образуется, когда рыхлые извилистые молекулы жидкости становятся достаточно медленными и достаточно близкими, чтобы образовать устойчивые связи, которые закрепляют их на месте. Когда мы оказываем давление на жидкость, мы заставляем молекулы сближаться.Поэтому они могут образовывать стабильные связи и становиться твердыми, даже если их температура выше точки замерзания при стандартном давлении. Однако вода в чем-то уникальна. Молекулы воды распространяются, когда они соединяются в твердую кристаллическую структуру. Это растекающееся действие приводит к тому, что лед становится менее плотным, чем жидкая вода, что приводит к плаванию льда. Это расширяющее действие молекул воды во время замерзания также означает, что приложение давления к воде снижает температуру замерзания .Если вы приложите достаточное давление (что затрудняет распространение молекул воды в твердую структуру), вы можете получить жидкую воду на несколько градусов ниже нуля по Цельсию.

Даже если вы не применяете давление, вы все равно можете получать жидкую воду при минусовых температурах с использованием добавок. Добавки, такие как соль, могут мешать химическому связыванию, необходимому для образования твердого вещества, и, следовательно, могут снизить температуру замерзания воды. Соль состоит из сильных ионов натрия и хлора. При растворении в воде молекулы воды имеют тенденцию прилипать к ионам соли, а не друг к другу, и поэтому они не так быстро замерзают.По мере того, как вы добавляете больше соли в воду, ее точка замерзания продолжает падать до тех пор, пока вода не достигнет насыщения и не сможет больше удерживать соль. Если вы добавите достаточно соли, точка замерзания воды может упасть до -21 градус Цельсия. Это означает, что вода с температурой -21 градус Цельсия может оставаться жидкой, если добавить достаточно соли. Вместо того, чтобы предохранять жидкую воду от замерзания, это мощное свойство соли также можно использовать для превращения льда обратно в воду. Рассыпание соли на обледенелых тротуарах снижает температуру замерзания льда ниже температуры окружающей среды, и лед тает.Но посыпать ледяные дорожки солью не поможет, если температура окружающего воздуха ниже -21 градуса Цельсия. Влияние соли на точку замерзания воды также оказывает сильное влияние на океаны Земли.

Даже если вы не применяете давление и ничего не добавляете в воду, у вас все равно может быть жидкая вода при температуре ниже нуля градусов Цельсия. Чтобы вода замерзла до состояния льда, ей нужно что-нибудь заморозить, чтобы начать процесс. Мы называем эти отправные точки «центрами зародышеобразования».В большинстве случаев небольшое количество пыли, примесей или даже небольшие колебания в воде создают центры зародышеобразования, на которых вода может замерзнуть. Но если ваша вода очень чистая и неподвижная, молекулам воды не на чем кристаллизоваться. В результате вы можете охлаждать очень чистую воду до температуры ниже нуля градусов по Цельсию, не замерзая. Вода в таком состоянии называется «переохлажденной». При стандартном давлении чистая вода может быть переохлаждена примерно до -40 градусов по Цельсию. Переохлажденная вода не замерзает только из-за отсутствия центров зародышеобразования.Следовательно, как только создаются центры зародышеобразования (что может быть столь же простым, как вибрация), переохлажденная вода быстро замерзает. Ледяной дождь — естественный пример переохлажденной жидкой воды. Как только ледяной дождь попадает на объект на поверхности земли, этот объект образует центры зародышеобразования, и дождь превращается в лед.

Темы: Замораживание, точка замерзания, ледяной дождь, лед, фазовая диаграмма, давление, переохлаждение, температура, вода

ученых нашли способ предотвратить превращение воды в лед

Лед — сложный зверь.Хотя мы с вами сталкиваемся только с одним его видом, ученым на самом деле известно около 20 различных молекулярных разновидностей — некоторые настолько эзотерические и редкие, что могут существовать только внутри компьютерных симуляций или похоронены на далеких планетах.

Но только потому, что вода может замерзнуть в твердое тело множеством различных способов, ее кристаллизация не обязательно неизбежна. В новом эксперименте ученым удалось создать воду, которая, кажется, никогда не превращается в лед, даже при температурах, приближающихся к абсолютному нулю.

Есть несколько способов разработки так называемой «незамерзающей воды», но ученые постоянно находят новые подходы, чтобы проверить пределы этих методов.

Некоторые из них связаны с изучением так называемого аморфного льда, аморфной, но твердой формы воды, в которой лед никогда не образуется, потому что молекулы воды не могут кристаллизоваться.

В прошлом году шведским ученым удалось переохлаждать жидкую воду до рекордно низкой температуры, около –45 градусов по Цельсию (–49 градусов по Фаренгейту) без образования льда, но теперь исследователи в Швейцарии пошли еще дальше.

Используя форму «наноконфайнмента» молекул воды с помощью синтезированных липидных мембран, исследователи из ETH Zurich и Университета Цюриха смогли довести воду до -263 градусов по Цельсию (-441 градус по Фаренгейту). ), всего на 10 градусов Цельсия выше абсолютного нуля, не превращаясь в лед.

«Физическое ограничение воды в наномасштабе может играть важную роль в управлении ее свойствами», — поясняют авторы в своей статье.

«В частности, ограничение в нанометровом диапазоне может препятствовать расположению молекул воды в структуре льда и, таким образом, предотвращать кристаллизацию при отрицательной температуре и создавать состояние аморфной воды».

Чтобы уловить ничего не подозревающие молекулы воды, команда синтезировала новый класс молекул жира, которые превращаются в мягкий биологический материал, называемый липидной мезофазой.

3D-модель липидной мезофазы (Peter Rüegg / ETH Zurich)

В этой структуре молекулы жира собираются в систему, которая создает чрезвычайно узкую сеть связанных каналов, каждый из которых имеет диаметр менее 1 нанометра.

В тесноте внутри этих крошечных туннелей молекулы воды могут существовать в жидкой форме, но пространство настолько ограничено, что кристаллизация льда невозможна на молекулярном уровне — даже когда липидная мезофаза была охлаждена жидким гелием до температуры примерно 10 Кельвинов.

Этот подвиг наноконфайнмента, по словам исследователей, связан с молекулярными модификациями внутри атомной структуры жирного материала, которые перестраивают гидрофобные (водоотталкивающие) и гидрофильные (притягивающие воду) части мезофазы.

«Новизна наших липидов заключается во введении сильно напряженных трехчленных колец в определенные положения внутри гидрофобных частей молекул», — говорит один из команды, химик Эхуд Ландау из Цюрихского университета.

«Они обеспечивают необходимую кривизну для образования таких крошечных водных каналов и предотвращают кристаллизацию липидов».

Материал образует разветвленные мембраны, которые ограничивают воду, видимую в голубом цвете (Livia Salvati Manni / ETH Zurich)

Хотя кристаллизации не происходит, при таких сверхнизких температурах вода становится «стекловидной»: суб- Состояние вещества, которое является твердым, но, тем не менее, не является льдом, на молекулярном уровне оно не является кристаллическим, как лед.

Учитывая, что кристаллы льда никогда не образуются, исследователи говорят, что липидные мезофазные мембраны однажды могут помочь ученым сохранить материю на основе белка, не повреждая ее, сохраняя ее в исходной форме при очень низких температурах, или помочь нам найти новые способы предотвращения образования воды. от вмерзания в лед.

«Но наша работа не была нацелена на экзотические приложения», — говорит физик и исследователь мягких материалов Раффаэле Меззенга из ETH Zurich.

«Нашей основной задачей было дать исследователям новый инструмент, который облегчит изучение молекулярных структур при низких температурах без кристаллов, влияющих на лед, и, в конечном итоге, понять, как два основных компонента жизни, вода и липиды, взаимодействуют в экстремальных температурных условиях. и геометрическое удержание.»

Результаты представлены в Nature Nanotechnology .

(PDF) Что такое« незамерзающая вода », насколько она незамерзаема и сколько в ней содержится?

158

остается незамерзшей в клетках, но остается не замерзать в присутствии кристаллов льда in vitro.Почему

нет? Цель данной статьи — ответить на эти вопросы со ссылкой на количественные измерения

соответствующих параметров в некоторых простых системах.

Наличие незамерзшей воды в Температуры замерзания в присутствии льда или других зародышеобразователей

могут быть отнесены к (как минимум) трем эффектам: (i) хорошо известное понижение точки замерзания

из-за небольших растворенных веществ, (ii) менее известная точка замерзания депрессия из-за макромолекул

, мембран и другой гидрофильной ультраструктуры, (iii) Влияние вязкости

.(i) и (ii) — эффекты равновесия, (iii) — неравновесные. Мы рассматриваем их по очереди.

i) Понижение точки замерзания из-за малых растворенных веществ. Первым фактором, способствующим стабильности незамерзшей воды

, является понижение осмотической точки замерзания из-за растворенных веществ. Из-за энтропии смешения

равновесная точка замерзания водного раствора ниже, чем у

чистой воды, а величина понижения точки замерзания приблизительно пропорциональна

осмотическому давлению раствора, которое зависит от непосредственно на осмоляльность.

Поскольку концентрации растворенных веществ in vivo обычно не намного превышают несколько сотен

мОсм, осмотическое давление in vivo обычно не намного превышает 1 МПа или около того, значение, которое

снижает точку замерзания только примерно на один градус. Однако при наличии льда эффект

усиливается, поскольку растворенные вещества исключаются из структуры льда и становятся более концентрированными в оставшейся незамерзшей фракции

. При понижении температуры требуется последовательно более высокое осмотическое давление

, чтобы поддерживать раствор в равновесии с чистым льдом.Таким образом, концентрация

повышается до тех пор, пока, в принципе, растворенные вещества не смогут начать кристаллизоваться при достижении насыщенной концентрации

. На практике это маловероятно in vivo, во-первых, потому что присутствует много различных растворенных веществ

, а во-вторых, потому что уравновешивание замедляется при очень низких температурах, как

, которые мы обсудим ниже. Понижение точки замерзания из-за малых растворенных веществ и концентрации

, вызванной замерзанием, было описано в другом месте (например, 14), поэтому мы не будем обсуждать его здесь.

ii) Понижение точки замерзания из-за макромолекул и мембран. Макромолекулы, мембраны

и действительно любые гидрофильные компоненты в растворе также снижают точку замерзания

при достаточно низкой гидратации. Подобно понижению осмотической точки замерзания, это эффект равновесия

. Однако механизм другой. В случае растворенных веществ понижение точки замерзания

связано с энтропией смешения и приблизительно пропорционально количеству растворенных веществ

.Хотя макромолекулы и другие структуры имеют аналогичный эффект,

относительно невелик, потому что их количество невелико. Основной вклад в понижение точки замерзания

для таких мезоскопических объектов происходит из-за низкой энергии молекул воды вблизи гидрофильной поверхности

. Это основная тема, обсуждаемая в данной статье.

iii) Неравновесные эффекты. При некоторых условиях водные растворы или даже чистая жидкая вода

могут не замерзнуть, даже если они нестабильны по отношению ко льду.Объемные объемы переохлажденного раствора

могут существовать практически бесконечно в отсутствие зародышеобразователей льда. В

растворах с температурой ниже их равновесной температуры замерзания, если кристаллы льда уже присутствуют, они на

растут. Как указывает Франкс (2), вязкость очень концентрированных растворов (повышенная на

при охлаждении и концентрации растворенных веществ) замедляет рост границы раздела льда до миллиметров за

века. В таких обстоятельствах некоторые области раствора могут оставаться незамерзшими при температуре ниже

, даже если кристаллы льда находятся всего в микронах от них.Когда вязкость

достаточно высока, фаза называется стеклянной или стекловидной фазой.

Понижение температуры гидратации и замерзания

.

Небольшие объемы водного раствора могут оставаться незамерзшими в присутствии кристаллов льда

при температуре на десятки ° C ниже равновесной температуры замерзания объемного раствора

с той же концентрацией. На рассматриваемую незамерзшую воду влияет присутствие

мезоскопических объектов (таких как мембраны, макромолекулы и другие ультраструктурные

Замерзшая вода постоянного объема и в замкнутом пространстве

T — V Фазовая диаграмма на основе свободной энергии Гельмгольца

Фазовые диаграммы построены путем проецирования фаз с наименьшей свободной энергией на оси естественных термодинамических переменных.Выбор естественных переменных определяет геометрию поверхностей свободной энергии и, таким образом, поведение сосуществования фаз в результирующей фазовой диаграмме.

Чтобы однородное однофазное вещество было стабильным, его внутренняя энергетическая поверхность U должна быть положительно определенной; ∂ ² U / ∂ X ² > 0, где X — обширные термодинамические переменные X = S (энтропия), V (объем), N (частица номер) и так далее.Когда использовать обширную естественную переменную неудобно, новый термодинамический потенциал может быть построен с интенсивными естественными переменными, Y = T (температура), P (давление), μ (химический потенциал), и так далее, преобразованием Лежандра экстенсивной переменной относительно ее интенсивного сопряженного, U — ( ∂U / ∂X ) X = U — YX ²³ . После преобразования Лежандра кривизна поверхности свободной энергии становится вогнутой вниз в соответствующей интенсивной термодинамической переменной (ых) ²⁴ , или иным образом сохраняет выпуклую кривизну U в обширной (ых) переменной (ых) ²⁵ .

Потенциал Гиббса имеет интенсивные естественные переменные температуры и давления, поэтому поверхности свободной энергии Гиббса вогнуты вниз как в T , так и в P . Проекция самой низкой фазы свободной энергии Гиббса на оси температуры и давления восстанавливает стандартную фазовую диаграмму T – P , как показано для H ₂ O на рис. 1a, построенную с использованием термодинамических данных Международной ассоциации свойств. воды и пара (IAPWS) ^26,27 .Для однокомпонентной системы, такой как H ₂ O, сосуществование фаз регулируется пересечением этих вогнутых вниз поверхностей свободной энергии, что приводит к одномерной (1D) линии сосуществования фаз в T — Самолет П .

Рис. 1: Поверхности свободной энергии воды и льда-1h при различных термодинамических граничных условиях.

a Поверхности свободной энергии Гиббса воды и льда-1h в системе с естественными переменными температурой и давлением.Проекция фазы с наименьшей свободной энергией на плоскость температура – ​​давление дает стандартную фазовую диаграмму T — P (температура – ​​давление) для воды. b Поверхности свободной энергии Гельмгольца воды и льда-1h в системе с естественными переменными температурой и удельным объемом. Общие касательные между фазами определяют диапазон, в котором двухфазная смесь в равновесии будет производить наименьшую свободную энергию системы. Наклон общей касательной, ∂F / ∂V , дает равновесное давление в системе. c T — Фазовая диаграмма V (температура – ​​объем) для воды и льда-1h. d Фазовая доля льда-1h как функция температуры при различных объемах, характерных для системы, в изохорной системе.

Однако в изохорной системе естественными переменными должны быть температура и объем, а не давление, что соответствует термодинамическому потенциалу Гельмгольца, F . Мы можем построить F ( T , V ) для воды и льда-1h с помощью преобразования Лежандра данных свободной энергии Гиббса как:

$$ F (T, V) = G (T, P ( V)) — PV.$$

(1)

Поскольку V обширный, а T интенсивный, F выпуклый по объему (∂ ² F / ∂V ² > 0) и вогнутый по температуре.

Выпуклость свободной энергии Гельмгольца как функции объема коренным образом меняет характер сосуществования фаз в пространстве T – V . Самая низкая огибающая свободной энергии теперь включает в себя касательные линии между выпуклыми кривыми F _воды ( V ) и F _льда ( V ), которые обозначают область двумерного двухфазного равновесия, в отличие от одномерной линии сосуществования фаз.Гиббс назвал эти касательные «линиями рассеянной энергии» ²⁸ , вдоль которых однофазное однородное вещество может уменьшить свою свободную энергию, образуя гетерогенную смесь двух фаз. Эти касательные аналогичны тем, которые используются при построении выпуклой оболочки бинарных эвтектических фазовых диаграмм, которые построены на основе свободной энергии Гиббса, G ( T , x ) ²⁹ . Выпуклая конструкция корпуса может применяться как к G ( x ), так и к F ( V ), потому что и состав ( x ), и объем ( V) являются обширными переменными, и, следовательно, их свободными переменными. энергетические поверхности выпуклые.

Спроектировав выпуклую оболочку с наименьшей энергией, образованную поверхностями F _water и F _ice на рис. 1b, мы построим фазовую диаграмму T – V для воды, показанную на рис. 1c. . Насколько нам известно, об этой фазовой диаграмме ранее не сообщалось в литературе. Фазовая диаграмма воды T – V имеет область двухфазного равновесия, где равновесная фазовая доля может быть определена с помощью правила Левера, аналогично тому, как это используется для бинарных эвтектических фазовых диаграмм T – x ²⁹ .Для справки читателя, фазовая доля как функция температуры и удельного объема системы показана на рис. 1d.

При заданной температуре наклон этих касательных (∂ F / ∂ V ) _T обеспечивает давление, которое двухфазная смесь оказывает на емкость постоянного объема. Отметим эти изоклины давления на фазовой диаграмме T – V на рис. 1в. Обратите внимание, что в области двухфазного равновесия касательные линии соединяют кривые свободной энергии воды и льда-1h, подразумевая, что вода и лед испытывают одинаковое давление, что действительно является требованием для механического равновесия.

Физические мотивы теории изохорной нуклеации

Равновесная фазовая диаграмма T – V , представленная на рис. 1c, зависит от удельного объема ( v ), поскольку области сосуществования фаз определяют термодинамическое равновесие независимо от количества материала присутствует. Далее мы покажем, что кинетика зародышеобразования в изохорных системах дополнительно зависит от абсолютного объема ( V ) контейнера системы, и мы используем обе зависимости для вывода изохорной теории зародышеобразования льда.

Рассмотрим процесс изохорного замораживания, в котором закрытый контейнер фиксированного объема, заполненный чистой водой, доводится ниже 0 ° C до метастабильного переохлажденного состояния (рис. 2а). Прежде чем лед образуется, переохлажденная вода будет испытывать некоторое давление P ₁ , которое определяется наклоном касательной ∂ F _вода / ∂ v при удельном объеме емкости, как указано на рис. 2б. Когда лед-1h зарождается, возникающее ядро ​​будет оказывать дополнительное давление на воду и контейнер, а поскольку общий объем системы не может измениться, контейнер будет оказывать равное и противоположное давление на воду и ледяное ядро ​​(рис.2в). Это уменьшает удельный объем льда и воды и увеличивает их удельную свободную энергию в соответствии с кривыми F ( v ), показанными на рис. 2b. Мы называем энергию, необходимую для повышения давления в системе и уплотнения исходной жидкой фазы, «изохорическим штрафом роста», который можно интерпретировать как энергетический штраф, который твердая фаза должна заплатить, чтобы расти в системе ограниченного абсолютного и удельный объем.

Рис. 2: Концептуальная формулировка процесса зародышеобразования в изохорной системе.

a Начальное состояние системы, при котором содержимое полностью жидкое. В этом состоянии абсолютный объем V и удельный объем v системы по определению будут равны объему водной фазы, поскольку льда нет. b Параллельно касательная конструкция. Для появляющегося ледяного ядра абсолютного объема V _льда в системе абсолютного объема V _{системе} , удельный объем и свободная энергия каждой фазы могут быть найдены путем определения точек на каждой кривой, которые удовлетворяют требованиям сохранения. массы системы, абсолютного объема и удельного объема, при построении касательных линий (∂ F / ∂ v) , которые параллельны друг другу, что указывает на непрерывность давления P во всей системе.В состоянии равновесия касательные линии двух фаз станут коллинеарными, и система будет испытывать равновесное давление P _{равновесие} . c Второе состояние системы, в котором конечная масса и объем системы теперь разделены между фазами воды и льда, имеющими разные абсолютные объемы ( V _лед , V _вода ) и удельные объемы ( v _лед , v _вода ).Давление в системе увеличивается до P ₂ > P ₁ из-за расширения ядра льда. d Постановление о законах сохранения, управляющих системой.

Интуитивно понятно, что величина этого штрафа должна варьироваться в зависимости от абсолютного объема системы; рост одного ледяного ядра, заключенного в океане, не вызовет заметного эффекта, но рост того же ядра в наноразмерном контейнере может значительно сжать оставшуюся воду.

Таким образом, давление в системе зависит от относительной фазовой доли выросшего льда. Поскольку вода и лед остаются в постоянном механическом равновесии, давление, испытываемое обеими фазами, будет одинаковым. Вспоминая, что давление в данной фазе при данном удельном объеме описывается наклоном линии, касательной к его кривой F ( v ) в этом объеме, это физическое ограничение можно проиллюстрировать «построением параллельной касательной» как показано на рис.2b, где удельные объемы и энергии каждой фазы для данной фракции фазы льда идентифицируются точками на кривых F ( v ) для воды и льда, которые дают параллельные касательные между фазами.

Использование этой параллельной касательной конструкции для отслеживания непрерывности давления между фазами аналогично касательной конструкции, первоначально использованной Гиббсом для описания непрерывности химического потенциала между фазами в бинарных системах при постоянной температуре и давлении ³⁰ .Во время роста льда в изохорной системе (и сопутствующего уплотнения обеих фаз) касательные линии будут оставаться параллельными, постепенно увеличивая наклон, пока две линии не сольются и не образуют общую касательную, которая отмечает показанное двухфазное состояние равновесия. 1 и представлено равновесное давление P _{равновесное} .

Математическая формулировка системы

В предыдущем разделе было установлено, что в изохорной системе удельные свободные энергии воды и льда не остаются постоянными в процессе зарождения и роста, а динамически смещаются вдоль соответствующих F ( v ) | _T изгибается в соответствии с построением параллельной касательной.Чтобы математически описать это поведение, необходимо выражение, связывающее удельные объемы (и, следовательно, свободные энергии) фаз как функцию роста ледяных зародышей.

Учитывая замкнутую изохорную систему, необходимо сохранить массу и объем

$$ m _ {{\ mathrm {system}}} = m _ {{\ mathrm {ice}}} + m _ {{\ mathrm {water}}} , $$

(2)

$$ V _ {{\ mathrm {system}}} = V _ {{\ mathrm {ice}}} + V _ {{\ mathrm {water}}}, $$

(3)

, что в дальнейшем подразумевает сохранение удельного объема.Однако отметим, что сохранение удельного объема не принимает форму v _system = v _ice + v _water , как можно было бы ожидать, потому что объем, зависящий от системы, сам по себе не является изначально сохраненное количество; вместо этого он сохраняется как простое математическое следствие сохранения массы и объема системы и, таким образом, выглядит следующим образом:

$$ v _ {{\ mathrm {system}}} = \ frac {{V _ {{\ mathrm {system }}}}} {{m _ {{\ mathrm {system}}}}} = \ frac {{V _ {{\ mathrm {ice}}} + V _ {{\ mathrm {water}}}}} {{m_ {{\ mathrm {ice}}} + m _ {{\ mathrm {water}}}}}.$$

(4)

Требование равного давления во всей системе является окончательным ограничением. Используя параллельную касательную логику, давление льда и воды во время процесса неравновесного зародышеобразования можно отслеживать по кривым F — v по их производным:

$$ — \ left ({\ frac {{{ \ mathrm {d}} F _ {{\ mathrm {вода}}}}} {{{\ mathrm {d}} v}}} \ right) | _ {v _ {{\ mathrm {water}}}} = — \ left ({\ frac {{{\ mathrm {d}} F _ {{\ mathrm {ice}}}}}} {{{\ mathrm {d}} v}}} \ right) | v _ {{\ mathrm { лед}}}.$$

(5)

В дополнительном примечании 1 мы используем эти четыре ограничения для определения удельных объемов каждой фазы как функции объема ядра ( v _вода ( V _лед ), v _вода ( V _ice )) по координате реакции процесса зародышеобразования. Эти удельные объемы, таким образом, дают удельную свободную энергию как для воды, так и для льда, F _вода ( v _вода ( V _лед )), F _лед ( v _лед ( V _ice )) в зависимости от объема ядра льда, что позволяет получить барьер зародышеобразования.

Получение барьера изохорной нуклеации

Рассмотрим теперь два состояния, которые изохорная система может занимать (рис. 2a, c) при установленных физических ограничениях (рис. 2d). Для ясности мы будем описывать полную свободную энергию системы с переменной ∅, а удельные свободные энергии Гельмгольца каждой фазы как F _вода и F _лед . Индексы 1 и 2 будут использоваться для обозначения значений параметров в состояниях 1 и 2.

В Состоянии 1 вся система находится в жидкой фазе, и ее свободная энергия, таким образом, определяется выражением:

$$ \ emptyset _1 = F _ {{\ mathrm {water}} _ 1} m _ {{\ mathrm {system }}}, $$

(6)

, в котором \ (F _ {{\ mathrm {water}} _ 1} = F _ {{\ mathrm {water}}} \ left ({v _ {{\ mathrm {water}} _ 1} = v _ {{\ mathrm { system}}}} \ right) \). В Состоянии 2 образовалось ядро ​​льда-1h с абсолютным объемом V _{, лед} , разделив систему на две фазы с определенными объемами v _вода ( V _лед ) и v _лед ( V _лед ).Определение доли фазы льда в системе как

$$ f = \ frac {{m _ {{\ mathrm {ice}}}}} {{m _ {{\ mathrm {system}}}}} = \ frac {{ V _ {{\ mathrm {ice}}} v _ {{\ mathrm {system}}}}} {{v _ {{\ mathrm {ice}}} V _ {{\ mathrm {system}}}}} $$

(7)

и включает в себя стандартный член межфазной свободной энергии γ , который масштабируется с площадью поверхности ядра льда A _ice , полная свободная энергия состояния 2 определяется как:

$$ \ emptyset _2 = \ emptyset _1 + {\ mathrm {\ Delta}} \ emptyset = [F _ {{\ mathrm {water}} _ 2} \ times \ left ({1 — f} \ right) + F _ {{\ mathrm {ice} } _2} \ times f] m _ {{\ mathrm {system}}} + \ gamma A _ {{\ mathrm {ice}}}, $$

(8)

, в котором \ (F _ {{\ mathrm {water}} _ 2} = F _ {{\ mathrm {water}}} \ left ({v _ {{\ mathrm {water}} _ 2} = v _ {{\ mathrm { вода}}} \ left ({V _ {{\ mathrm {ice}}}} \ right)} \ right) \) и \ (F _ {{\ mathrm {ice}} _ 2} = F _ {{\ mathrm {ice }}} \ left ({v _ {{\ mathrm {ice}} _ 2} = v _ {{\ mathrm {ice}}} \ left ({V _ {{\ mathrm {ice}}}}} \ right)} \ right ) \).Преобразуя эти уравнения и группируя конкретные члены свободной энергии по фазам, изменение свободной энергии Δ∅ при образовании ядра определяется как:

$$ {\ mathrm {\ Delta}} \ emptyset = \ emptyset _2 — \ emptyset _1 = \ left [{(F _ {\ mathrm {вода}} _ 2} — F _ {{\ mathrm {вода}} _ 1}) + (F _ {{\ mathrm {ice}} _ 2} — F _ {{\ mathrm {water}} _ 2}) f} \ right] m _ {{\ mathrm {system}}} + \ gamma A _ {{\ mathrm {ice}}}. $$

(9)

Два члена разности энергий в уравнении. (9) имеют отчетливое и значимое физическое значение.\ ((F _ {{\ mathrm {water}} _ 2} — F _ {{\ mathrm {water}} _ 1}) \) описывает «изохорный недостаток роста» или энергию, необходимую для создания давления в системе и уплотнения водной фазы. , которое должно обеспечивать возникающее ледяное ядро ​​для роста. Этот термин всегда будет положительным. \ ((F _ {{\ mathrm {ice}} _ 2} — F _ {{\ mathrm {water}} _ 2}) \), который всегда будет отрицательным, дает разность свободной энергии в объеме между фазами в их текущих конкретных объемы, взвешенные по фазовой доле f , чтобы уловить двухфазный характер равновесной системы.

Изменение свободной энергии, сопровождающее образование ледяного ядра в изохорной системе, таким образом, можно свести к следующему:

$$ {\ mathrm {\ Delta}} \ emptyset = \ left [{{\ mathrm {\ Delta}} F _ {{\ mathrm {isochoric}} \, {\ mathrm {growth}}} + {\ mathrm {\ Delta}} F _ {{\ mathrm {bulk}}} f} \ right] m _ {{\ mathrm {system}}} + \ gamma A _ {{\ mathrm {ice}}}. $$

(10)

Члены межфазной и объемной свободной энергии в уравнении. (10) примерно аналогичны тем, которые находятся в классической теории зародышеобразования; первый будет масштабироваться с площадью поверхности ядра в положительном направлении, второй — с его объемом или массой в отрицательном направлении.Однако важно отметить, что в рамках формулировки Гиббса разница в объемной свободной энергии между водой и льдом считается постоянной, тогда как в изохорной системе она изменяется в зависимости от доли фазы льда, уменьшаясь по величине по мере того, как лед растет как отражение того факта, что конечным термодинамическим назначением системы является состояние двухфазного равновесия вода-лед, а не полное замерзание.

Член штрафа изохорного роста является уникальным для систем ограниченного объема и будет показан рядом, чтобы фундаментально изменить поведение зародышеобразования.

Кинетические эффекты изохорного ограничения

На рис. 3а мы изображаем полное изменение свободной энергии Δ∅ вместе с тремя отдельными энергетическими вкладами; межфазная энергия, объемная энергия и штраф изохорного роста. Наши расчеты для рис. 3а описывают одиночное ядро ​​льда-1h сферической геометрии в системе абсолютного объема V _s ~ 2 × 10 ⁻²² м ³ при температуре −4,15 ° C с предполагаемое соотношение межфазной свободной энергии ³¹ из γ = (28.0 + 0,25 T ) мДж м ⁻² (дополнительные параметры доступны в дополнительном примечании 2). На рис. 3b показаны дополнительные кривые Δ∅ для той же температуры, но различных абсолютных объемов системы V _s . Эти графики показывают фундаментальное различие между образованием льда при постоянном объеме и образованием льда при постоянном давлении: в классической формулировке Гиббса кривая Δ G (радиус) имеет одну критическую точку, а в изохорной системе есть две критические точки.

Рис. 3: Кинетика нуклеации в изохорных системах.

a Изменение полной свободной энергии Δ∅, сопровождающее образование сферического ядра льда-1h, как функция радиуса. Компоненты межфазной границы, изохорного роста и объемной свободной энергии, вносящие вклад в общую, показаны независимо. b Δ∅ кривые для различных абсолютных объемов системы. Предел Гиббса дает поведение системы в пределе бесконечного объема системы, а предел Гельмгольца — в критическом объеме системы, при котором кривая свободной энергии начинает монотонно расти. c Критический радиус как функция объема системы для различных температур, с отмеченными критическими объемами системы. d Фазовая диаграмма, отображающая критический объем системы как функцию температуры. В режиме с преобладанием кинетики все кривые Δ∅ будут монотонно возрастать, и, таким образом, кинетический путь к нуклеации не будет существовать.

Классически критическая точка кривой свободной энергии является максимумом и определяет барьер зародышеобразования или энергетический барьер, после которого продолжающийся рост льда будет понижать свободную энергию системы на неопределенное время, пока вся фаза полностью не изменится.Однако в изохорическом случае рост льда не является неопределенным — он должен прекратиться при достижении равновесной доли фаз в соответствии с фазовой диаграммой T – V (рис. 1c, d). Это ограничение кинетически фиксируется членом изохорного роста, и, таким образом, кривые Δ∅ могут иметь две критические точки: первая — это максимум, при котором объемная движущая сила для фазового перехода преодолевает штраф за формирование новой границы раздела фаз, а вторая — минимум, при котором энергия изохорного роста преодолевает объемную движущую силу.

Важно отметить, что, поскольку член изохорного роста является функцией абсолютного объема системы (в масштабе V _ice / V _sys ), его вклад исчезает на пределе бесконечного объема, что согласуется с интуицией. В этом случае, который мы обозначим пределом Гиббса на рис. 3b, кривая свободной энергии Δ∅ будет идентична кривой, полученной с использованием классической формулировки Гиббса, с только начальным максимумом.

И наоборот, по мере уменьшения объема системы относительный вклад члена изохорного роста увеличивается, вводя как вторую критическую точку (соответствующую ограничению доли фазы), так и увеличивая критический радиус зародышевого барьера.Это увеличение показано на рис. 3c как функция абсолютного объема системы для различных температур ниже нуля. Обратите внимание, что при температурах, близких к точке замерзания, влияние ограничения объема на изохорное зародышеобразование может быть значительным даже при относительно больших объемах системы — порядка микрон.

Наш вывод далее показывает существование дискретного абсолютного объема системы, который мы называем критическим объемом удержания, ниже которого вторая критическая точка достигнет энергии, равной первой, стирая точку перегиба между ними и давая зародыш свободного. кривая энергии, которая монотонно увеличивается с радиусом.Типичная кривая свободной энергии при этом абсолютном пороге объема обозначена как предел Гельмгольца на рис. 3b. Эти критические объемы удержания также отмечены на кривых критического радиуса на рис. 3c, указывая объем системы, при котором критический радиус зародышеобразования станет бесконечным. Эти критические объемы системы затем строятся независимо от температуры на рис. 3d, в результате чего получается «кинетическая фазовая диаграмма» для замерзания воды в ограниченных объемах. Наша кинетическая фазовая диаграмма показывает уникальное значение для систем постоянного объема: существует объемный режим, в котором зарождение льда-1h из переохлажденного жидкого состояния кинетически невозможно.

Примечательно, что существование льда в этом режиме не является термодинамически запрещенным — сравнивая рис. 3c с рис. 1d, можно видеть, что эти критические объемы зародышей льда на порядки меньше, чем предел равновесной доли фазы. Эти результаты показывают, что лед теоретически может существовать при таких объемах системы (например, если кристалл льда был искусственно засеян в системе, а объем затем ограничен), но у переохлажденной воды просто нет кинетического пути к замерзанию в достаточно ограниченной изохорной системе. .

Нет воды / замерзшие трубы — советы по зимнему обслуживанию

Зимняя сантехника Техническое обслуживание — Как справляться с проблемами холодной погоды

Техническое обслуживание сантехники проблемы меняются в зависимости от сезона. Зимой становится особенно интересно, как две стихии объединяются: вода и заморозка температуры. Холодное время года — это ваши трубы, как и любое другое домашнее хозяйство. системы, потребляющие воду — подвергаются риску. Кроме того, меняются семейные привычки. зимой. По мере того, как люди проводят больше времени в помещении, потребление воды возрастает, дополнительная нагрузка на трубы, водостоки и водонагреватели.Этой зимой защити свою собственности и комфорта вашей семьи, следуя этим советам по обслуживанию сантехники.

Вот несколько способов уменьшить потери тепла из труб:

• Так же, как это помогает замедлить потерю тепла из ваших дома, изоляция может защитить ваши трубы от потери последних нескольких градусы тепловой энергии. Открытые трубы — как холодной, так и горячей воды — на участках подвал или чердак можно покрыть изоляцией из пенопласта, как и подлёт. рукавами или обернутыми трубной изоляционной лентой.Электротепловая лента может быть применяется для коротких участков трубы в зонах, которые могут быть особенно подвержены замораживание.
• Теплый воздух циркулирует по дому в очень холодную погоду погода также способствует прокладке водопровода под полом и внутри стен, которые могут быть подвержен замерзанию. Поддерживать внутреннюю температуру не ниже 55 градусов, и открытые шкафы под раковинами и рядом с внешними стенами для передачи домашнего тепло к трубам.
• Вентиляционные отверстия, через которые наружный воздух попадает в рабочую зону, должны быть закрыты.Это позволяет теплу из жилого помещения проникать в пространство для ползания и обеспечивать некоторая защита от замерзания в любых трубах, проходящих через эту зону. Также, держите внешнюю дверь гаража закрытой, если там установлена ​​сантехника.
• Давно известно, что открытие смесителя в доме достаточно, чтобы выпустить струйку воды и оставить их работать в течение любого периода когда температура опускается ниже порога замерзания трубы, это эффективный способ предотвратить повреждение труб. Но это не небольшое движение воды через трубы, предотвращающие замерзание — ведь даже быстро движущаяся вода замерзает в ручьи и водопады.Дело в том, что замерзшие трубы не рвутся из-за сила льда, расширяющаяся наружу. Вместо этого лед, образующийся в трубе, расширяется. сбоку и нагнетает воду, застрявшую в трубе между участками льда образование и закрытый кран или другой выпуск. Эта вода с избыточным давлением сила, которая фактически разрывает трубу. Слегка открывающиеся краны дом и позволяя им капать, обеспечивает сброс давления и отражается повреждение трубы.

Наружная защита

В некоторых домах есть немного вспомогательной бытовой сантехники, которая находится снаружи, и это даже больше уязвимы для замораживания.В некоторых случаях замерзание в наружной сантехнике может повлиять на внутренние трубы. Вот несколько примеров.

• Садовые шланги, оставленные на открытом воздухе, могут быть заполнены водой из самое последнее использование. Садовые шланги с насадками или другими ограничителями на одном конце и подключенные к открытым кранам, особенно опасны для вашей сантехники, так как давление воды, создаваемое образованием льда в шланге, может вернуться в дом. водоснабжение и повреждение труб. Отсоедините садовые шланги и слейте их во время морозная погода.
• Если у ваших наружных смесителей есть внутренние запорные клапаны в в подвале, на подлете или в другом месте, отключите воду в кран на время заморозки условий, и откройте наружный кран, чтобы слить остатки воды из линия.
• Ознакомьтесь с руководством по эксплуатации вашей домашней спринклерной системы и соблюдайте процедуры зимней защиты спринклерных трубок и защиты их от повреждение замораживания.
• Если у вас в подвале есть водоотливной насос, предотвратить затопление, следить за выпускным патрубком отстойника, обычно где-то за домом.Убедитесь, что выходное отверстие не заблокировано снегом или ледяная лужа. Если насос должен включиться, когда выпускное отверстие заблокировано, вода поток может обратиться в подвал.
• Другие наружные водопроводы, которые могут замерзнуть, включают трубопроводы к бассейну, фонтану или садовому пруду. Общее сантехническое обслуживание Правило состоит в том, чтобы перекрыть воду для этих целей у источника, а затем слить воду из линий.

Если хуже станет хуже

Если ваши трубы замерзнут несмотря на надлежащие меры по уходу за сантехникой, вам нужна немедленная профессиональная помощь.Не ждите, пока растают трубы, чтобы вы могли проверить повреждение. Разрывы труб могут произойти в местах, удаленных от фактического место образования льда и может быть скрыто в труднодоступных местах. Воды ущерб может быть значительным, прежде чем вы сможете найти и оценить проблему. В условиях замерзания будьте внимательны к любому необъяснимому снижению давления воды. или полное прекращение подачи воды из любого крана или другого выхода. Это красные флаги, которые нельзя игнорировать. Выключите домочадцев воды на главный кран подачи, и обратитесь в надежную сантехнику. профессионально немедленно.

Домашнее хозяйство

Зима — сезон в помещениях для многих. Это означает, что спрос на вашу водопроводную систему возрастает. Также число гостей и праздников в вашем доме растет вместе с сезоном праздников, и это также увеличивает спрос на вашу водопроводную систему. Несколько рекомендаций по обслуживанию могут помогают поддерживать бесперебойную работу линий подачи и сточных вод.

• Жир и масло после приготовления пищи являются основными компонентами отстоя в трубах что вызывает засорение. Когда зимой дренажные трубы холодные, ил имеет тенденцию к застывает в трубах.Старайтесь собирать жир и масло в емкости, а не выливая их в раковину.
• Холодная погода оставляет пятна на водонагревателях. Потому что водопроводы охлажденной, вода, поступающая в водонагреватель, намного холоднее и требует больше энергии и больше времени на восстановление.