термические свойства льда

ТЕРМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЛЬДА

Условия теплопередачи во льду и формирования его температуры. Распространение тепла во льду определяется теплопроводностью льда. Ko- эф. теплопроводности льда λ численно равен потоку тепла при разности температуры в 1°С на единицу расстояния. При температуре льда около 0°С λ = 2,22 Вт/(м-°С). Теплопроводность льда заметно растет с понижением температуры. Для пресного льда

λ = 2J22 (1 — 0,0004 t),

для морского льда

λ = λ₀ (I — 0,01591),

_{где λο — теплопроводность при 0°С, t — температура, в °С.}

Молекулярная теплопроводность монокристаллов льда, измеренная вдоль оси с, на 5 % больше теплопроводности, измеренной перпендикулярно оси с. В случае движения воздуха в порах общая теплопроводность может быть значительно выше молекулярной. Теплопроводность пористого льда λ_π рассчитывается по формуле

[s]image_234.png[/s]

_{где λ„ — теплопроводность воздуха, р — пористость в долях от общего объема.}

Теплопроводность морского льда λ_Μ рассчитывается по формуле

⁼ — (λ_π λρ) (I Ip) -|^Л^ ·,

_{где рл} — плотность льда, р_р — плотность рассола, λ_ρ — теплопроводность рассола, |_Р и |_л — соленость рассола и льда.

Степень нагрева льда подводимым к нему теплом определяется теплоемкостью льда. Количество тепла, необходимое для нагрева единицы массы льда при постоянном давлении, называется удельной теплоемкостью льда cp. Теплоемкость льда уменьшается с понижением температуры. Для пресного льда

с_р = 2,12 + 0,0078/.

Теплоемкость морского льда быстро возрастает до 162 Дж/(г-°С) с ростом солености до 35 %о при t = —2 °С и уменьшается до 3,01 Дж/(г-°С) с понижением температуры до —30°С при |_л = 35 %о. Большая теплоемкость морского льда связана с таянием чистого льда в солевых ячейках при повышении температуры. Теплоемкость при постоянном давлении c_v зависит от объемного коэф. теплового расширения и вблизи 0°С на 3% меньше cp. C понижением температуры разность C_p — C_v уменьшается. Теплоемкость 1 моля льда называется молярной теплоемкостью льда. В точке таяния при постоянном давлении она равна 37,7 Дж/моль.

Скорость изменения температуры льда в нестационарных тепловых процессах называется температуропроводностью льда (термической диффузией в иностранной литературе). Коэф. температуропроводности льда a численно равен повышению температуры единицы объема льда в результате притока тепла, соответствующего по величине коэф. теплопроводности:

а = X/(cpp).

Величина a определяется по затуханию в толще льда температурной волны, идущей от поверхности. Среднее значение коэф. температуропроводности антарктического льда, вычисленное таким способом, при температуре —20°С оказалось равным (1,54 ± 0,9) · 10^-7 м²/с. В морском льду температуропроводность падает в несколько раз.

Температура плавления льда под давлением 10³ гПа принята за 0°С или 273,15 К. При повышении давления температура плавления понижается на 0,075 °С на 1 МПа. Под давлением в 40 МПа (наибольшее в ледниках) температура плавления снижается до —2,91 °С.

На плавление (таяние) льда затрачивается удельная теплота плавления льда, т. е. количество тепла, поглощаемое льдом при фазовом превращении без изменения его температуры, которое выделяется обратно при замерзании воды. Эта величина равняется изменению энтальпии (теплосодержания) d% при фазовых переходах:

d% = dW + PdV,

_{где dW — изменение внутренней энергии, P — давление, dV — изменение объема вещества при фазовом переходе.}

При 0°С и нормальном атмосферном давлении удельная теплота плавления льда L_n равна 333,6 Дж/г, при понижении температуры плавления льда под давлением она уменьшается. Теплота плавления зависит сложным образом от солености (см. [21]).

Удельная теплота (изменение энтальпии) возгонки (испарения) или сублимации (конденсации) льда, т. е. количество тепла, которое необходимо сообщить льду, чтобы перевести его в пар при неизменной температуре (или для обратного процесса), в пресном льду при любых температурах равна 2834 Дж/г, а в соленом льду колеблется от 2500 до 3000 Дж/г. При испарении льда рвутся все водородные связи, при таянии же, судя по меньшей удельной теплоте, — только 12 % таких связей.

_{А. Н. Кренке}