Почему лёд скользкий, но не всегда?

560 Дж/моль

Так как вода в естественных условиях накапливается на поверхности, то именно параметры конденсации водяного пара, происходящие на поверхности льда, определяют его скользкость.

Заключение

Таким образом, скользкость льда обусловлена образованием тонкого слоя воды на его поверхности в результате конденсации водяного пара. Важно понимать, что это явление происходит в основном при температурах около нуля градусов Цельсия, что делает лёд скользким, но не всегда. В более холодных условиях даже чистая поверхность льда перестаёт быть скользкой.

Ссылки:

Распределение тепла от конденсации паров воды по слою жидкой воды на поверхности льда

Молярная энергия конденсации при молярной массе воды Mr=18 г/моль составляет:

  • Еконд-м = 44980 Дж/моль

Теплоёмкость жидкой воды:

  • Cж = 4186 Дж/кг*К

Теплоёмкость льда составляет половину от теплоёмкости жидкой воды:

  • Cл = 2093 Дж/кг*К

Легко заметить, что энергия конденсации пара огромна в сравнении с теплоёмкостью воды. Так энергии конденсации 1 моль пара хватит для нагрева 1 моль жидкой воды на 44980/4186 = 10,74 К.

То есть возникает какая-то несуразица, что при охлаждении пара нужно очень сильно разогреть получаемую воду.

Да, это именно так и происходит, но с некоторыми геометрическими нюансами.

В момент конденсации пара при температуре воздуха Т=0°C молекул воды в воздухе очень мало, а именно около 4-5 гр/м³. Это влагосодержание в объёмной концентрации составит:

[V_{пар}/V_{возд}=\frac{4/18}{1300/29}=0,00496] или 0,496%.

Можно сказать, что в кубике 10х10х10 молекул воздуха будет всего 5 молекул водяного пара.

Таким образом на одну молекулу пара будет приходится около 200 молекул воздуха, что приблизительно составит кубик воздуха 6х6х6 молекул.

Приблизительная зона контакта 1 молекулы пара с водой составит 6х6=36 молекул воздуха над поверхностью воды.

Но вода тяжелее воздуха в 770 раз.

Тогда количество молей на кубометр отличается в 1239 раз.

Соответственно решётка жидкой воды будет более плотной, чем решётка воздуха в 11 раз.

Тогда слою воздуха 6х6=36 молекул будет соответствовать по площади покрытия слой жидкой воды с количеством молекул

Анализ процесса конденсации молекул водяного пара

Получается, что энергия конденсации одной молекулы водяного пара распределится не на одну молекулу, а на тонкий слой с количеством молекул не менее 4000 шт. (при одновременной конденсации пара по всему слою).

Эффект холодного воздуха над тёплой водой

При подъеме температуры слоя жидкой воды на поверхности льда при конденсации, величина составит всего ΔT=0,15K. Случается так, что если сверху температура воздуха над водой Твозд=+0С, то возникает парадоксальная ситуация с холодным воздухом над тёплой водой.

Распределение тепла по различным средам

Теплопроводность жидкой воды сильно превышает теплопроводность воздуха, а теплопроводность льда превышает теплопроводность воды. Энергия конденсации уходит в более теплопроводные материалы, что обусловливает различия в распределении тепла.

Теплопроводность веществ и сред

Таблица ниже представляет теплотехнические характеристики различных веществ и сред:

СредаТеплопроводность (Вт/м^2*K)
Воздух0,0244
Вода0,556
Лед2,33

Применение пенопласта в изоляции

График ниже демонстрирует характеристики наиболее эффективного пенопласта типа PIR, который успешно используется в качестве теплоизоляционного материала с коэффициентом теплопроводности, совпадающим с теплопроводностью воздуха.

Характеристики пенопласта

Вывод

Энергия конденсации тепловой энергии распределяется по различным материалам, таким образом, повышение температуры воды от конденсации одной молекулы пара незначительно. Распределение тепла на тонком слое воды происходит равномерно, что подтверждается механизмом теплопроводности.

Полукруглые зоны с градиентной окраской в воде

Полукруглые зоны с градиентной окраской представляют собой полусферические зоны распределения тепла в воде. Есть два основных типа полукруглых зон:

  • Красно-голубой полукруг – возникает при конденсации молекул пара из воздуха.
  • Желто-синий полукруг – образуется при плавлении молекул льда на границе льда со слоем жидкой воды со слабо плюсовой температурой.

Процесс консолидации рассеянного тепла в воде на одиночном атоме льда

При рассмотрении процесса распределения тепла в воде от конденсации одной молекулы водяного пара по слою воды, необходимо также учитывать аналогичный процесс для расплавления одной молекулы льда.

Энергия кристаллизации льда составляет…

Таким образом, конденсация одной молекулы воздуха способна нагреть объем воды и плавить определенное количество молекул льда.

Явление гидроклина в технике

Гидроклин в технике представляет собой тонкий слой вязкой жидкости между двумя проскальзывающими поверхностями. Благодаря повышенной вязкости жидкости, твёрдые поверхности не соприкасаются даже при большом давлении, двигаясь за счёт гидродинамического скольжения без сухого трения.

Подшипники скольжения являются одним из видов подшипников, на которых работает этот принцип. Они необходимы для правильной работы вращающихся узлов в двигателях автомобилей.

Почему лёд скользкий, но не всегда?

Рис.9. Общий вид и название компонентов подшипника скольжения.

Почему лёд скользкий, но не всегда?

Рис. 10. Действующие силы внутри подшипника скольжения.

Для автомобилистов явление «гидроклина» также известно как «аквапланирование», то есть потеря сцепления шин с дорогой при наезде на тонкий слой воды на высокой скорости. (см.рис.11.)

Почему лёд скользкий, но не всегда?

Рис.11. Этапы возникновения «гидроклина» под колесом автомобиля на мокрой дороге по мере роста скорости автомобиля до момента выхода на «аквапланирование».

Такой скоростной наезд одним колесом на лужу может вызвать занос автомобиля, с возможностью улёта автомобиля в кювет.

Тонким слоем воды может быть даже просто мокрый асфальт после дождя, а эффект «аквапланирования» возникает при резком торможении на этом мокром асфальте.

В результате резкого торможения вращения колёс возникает блокировка колёс.

Машина с блокированными колёсами на мокром асфальте не тормозит с визгом шин, а начинает проскальзывать на «гидроклине» из тонкого слоя воды между асфальтом и заблокированной шиной.(см.рис.12.).

Почему лёд скользкий, но не всегда?

Рис.12. Проявление эффекта «Аквапланирование» для шин автомобиля с различной глубиной профиля протектора (разная степень износа) на дороге с разной толщиной водяного слоя.

«Аквапланирование» при подскальзывание человека на льду

Такое же как у автомобилей «аквапланирование» на «гидроклине» возникает в оттепель и у обычных пешеходов, когда они поскальзываются на участке мокрого льда на тротуаре.

Интересно, что при температуре на улице Т=0С температура подошвы на обуви людей оказывается выше +0С.

Таким образом, сам контакт тёплой подошвы ботинок со льдом при Тул=0С вызывает мгновенное плавление тонкого слоя льда под подошвой до состояния жидкой воды, и на этом слое растопленной воды человек и поскальзывается.

По такому сценарию часто наблюдаются случаи падения людей на льду в крытых катках, когда человек в офисных ботинках на тонкой плоской подошве выходит из тёплых зрительских трибун на лёд катка и тут же поскальзывается.

Если же температура на улице понижается до слабо отрицательных температур Тул= -3..-5 С, то температура подошвы уличных утеплённых ботинок уже оказывается отрицательной и не вызывает плавления льда под собой при контакте.

Получается, что скользкость льда резко падает при отрицательных температурах воздуха и льда на улице, особенно для человека в зимней утеплённой обуви.

Данное изменение коэффициента трения скольжения различных материалов по льду от температуры льда хорошо заметно в таблице (см.рис.13.)

Во второй таблице (см.рис.14) особенно интересна последняя строчка «подшипник скольжения», для которого коэффициент трения скольжения точно соответствует верхней таблице «лёд по льду».

Почему лёд скользкий, но не всегда?

Рис.14. Коэффициенты трения скольжения для различных пар материалов.

Скольжение лыжи

Также интересны коэффициенты трения скольжения для специальных транспортных устройств на эффекте скольжения, а именно лыжи (сани).

Так как лыжи предназначены специально для скольжения по снегу и льду, то для них коэффициенты скольжения гораздо точнее измерены для разных режимов движения по разным типам обледенело-заснеженных дорог (см.рис.15.)

При этом оказывается, что лыжи по обледенелой дороге могут иметь вообще фантастически низкое сопротивление Кск=0,008-0,001. (верхняя строчка таблицы)

С учётом коэффициента для полимерного покрытия из нижней части таблицы коэффициент скольжения пластиковой лыжи может стать и вовсе мизерным:

То есть под твёрдыми полозьями саней скольжение на водяном гидроклине проявляется даже ярче, чем в подшипниках скольжения!

Это вполне закономерно, так как удельные радиальные нагрузки на шейки подшипников скольжения сильно выше, чем для широких лыж, предназначенных для дорог со слабонесущим снежным покровом.

Также нижняя часть таблицы интересна и в бытовом плане.

Хорошо видно, что полиэтилен скользит по льду на треть лучше, чем углеродистая сталь или дерево (бумага, картон).

Это подтверждает эффект проскальзывания на полиэтиленовом пакете, если на него наступить на снегу.

Почему лёд скользкий, но не всегда?

Рис.15. Коэффициенты трения скольжения для лыжи по дороге с различными видами обледенения и заснеженности при уличной температуре Тул= -4С.

По предельно низкому значению Кск=0,005 для лыж по льду можно оценить и вязкое трения для водоизмещающих судов.

Так сопротивление вязкого трения воды о борт не может быть выше, чем для скольжения лыжи по льду.

Для танкера водоизмещением 100 тыс.тонн сопротивление вязкого трения не может превысить 0,5% его веса.

В реальности упор винтов для такого танкера составляет около 100 тонн на крейсерской скорости 14 узлов (26км/ч=7м/с) и мощности силовой установки 13-17тыс.кВт.

Таким образом, реальное сопротивление даже на крейсерской скорости составляет менее 0,1% от веса танкера. При этом учтено не только вязкое трение, но также сопротивление формы и волновое сопротивление от раздвигаемой в стороны жидкой воды.

Подробнее о волновом сопротивлении и сопротивлении формы при движении кораблей сквозь воду можно прочитать по ссылке.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *