Оценка толщины фронта плавления льда, основанная на исследовании кинетики таяния ледяных шаров в воздухе

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

На основе измерений кинетики накопления талой воды при плавлении ледяных шаров разного размера при комнатной температуре (≈22°C), а также с учетом измерений температуры как на поверхности шаров, так и внутри них, удалось оценить толщину фронта плавления льда. Входящий тепловой поток поглощается льдом внутри слоя, который мы называем фронтом плавления, в виде скрытой теплоты плавления. Для описания кинетики таяния ледяных шаров была построена модель этого процесса. Предполагалось, что подвод тепла происходит через всю поверхность шара, причем его площадь уменьшается в процессе плавления. Измерения температуры на поверхности ледяных шаров и температуры внутри них дали ~0.4 и 0°C соответственно. Учтены поправки, связанные с испарением воды. Подгонка экспериментальных данных с использованием предложенной модели позволила оценить толщину фронта плавления льда при комнатной температуре. Она оказалась равной примерно 3.2–3.6 мм.

Full Text

Restricted Access

About the authors

И. С. Степанов

НИЦ “Курчатовский институт” – ККТЭФ

Author for correspondence.
Email: stepanov@itep.ru
Russian Federation, 123182, Москва, пл. Академика Курчатова, д. 1

Л. И. Будаева

НИЦ “Курчатовский институт” – ККТЭФ

Email: stepanov@itep.ru
Russian Federation, 123182, Москва, пл. Академика Курчатова, д. 1

С. В. Степанов

НИЦ “Курчатовский институт” – ККТЭФ

Email: stepanov@itep.ru
Russian Federation, 123182, Москва, пл. Академика Курчатова, д. 1

References

  1. Маэно Н. Наука о льде. Мир, 1988. 231 c.
  2. Уббелоде А. Плавление и кристаллическая структура. Мир, 1969. 420 c.
  3. Mazur P. Principals of Cryobiology in “Life in the Frozen State” Eds. Fuller B.J., Lane N., Benson E.E. CRC Press, Boca Raton, 2004. https://doi.org/10.1201/9780203647073
  4. Тихонов A.H., Самарский А.А. Уравнения математической физики. Изд-во: МГУ, 1999.
  5. Bartels-Rausch Т. Ten things we need to know about ice and snow // Nature. 2013. V. 494. № 7435. P. 27–29. https://doi.org/10.1038/494027a
  6. Dash J.G., Rempel A.W., Wettlaufer J.S. The physics of premelted ice and its geophysical consequences // Rev. Mod. Phys. 2006. V. 78. № 3. P. 695–741. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.78.695
  7. Fitzner М., Sosso G.C., Cox S.J., Michaelides A. Ice is born in low-mobility regions of supercooled liquid water // PNAS. 2019. V. 116. № 6. P. 2009–2014. https://doi.org/10.1073/pnas.181713511
  8. Wei X., Xiao S., Ni J. Studies of ice melting using molecular dynamics // Molecular Simulation. 2010. V. 36. № 11. P. 823–830. https://doi.org/10.1080/08927021003774287
  9. Mukherjee S., Bagchi B. Entropic origin of the attenuated width of the ice-water interface // J. Phys. Chem. C. 2020. V. 124. № 13. 7334–7340. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.0c02030
  10. Mizuno Y., Hanafusa N. Studies of surface properties of ice using nuclear magnetic resonance // J. Phys. Colloque. 1987. V. 48. № C1 P. 511–517. https://doi.org/10.1051/jphyscol:1987170
  11. Kvlividze V.I., Kiselev V.F., Kurzaev A.B., Ushakova L.A. The mobile water phase on ice surfaces // Surface science. 1974. V. 44. № 1. P. 60–68. https://doi.org/10.1016/0039-6028(74)90093-4
  12. Asay D.B., Kim S.H. Evolution of the adsorbed water layer structure on silicon oxide at room temperature // J. Phys. Chem. B. 2005. V. 109. № 35. P. 16760–16763. https://doi.org/10.1021/jp053042o
  13. Залуцкий А.А. Зондовая меccбауэровcкая диагностика свойств квазижидкого слоя воды на алюмосиликатной поверхности природного происхождения // Кристаллография. 2020. Т. 65. № 3. С. 384–389. https://doi.org/10.31857/S0023476120030376
  14. Ниапg С., Wikfeldt К.Т., Tokushima Т., et. al. The inhomogeneous structure of water at ambient conditions // PNAS. 2009. V. 106. № 36. P. 15214–15218. https://doi.org/10.1073/pnas.0904743106
  15. Murata K., Asakawa H., Nagashima K., Furukawa Y., Sazaki G. Thermodynamic origin of surface melting on ice crystals // PNAS. 2016. V. 113. № 44. P. E6741–E6748. https://doi.org/10.1073/pnas.1608888113

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. An example of the kinetics of freezing one of the plastic spheres filled with water in a freezer. The upper curve shows the change in temperature in the laboratory (after 15 hours of measurements, the climate control system was switched off), the purple curve is the temperature inside the sphere, and the lower oscillating dependence is the temperature in the air space of the freezer. Near +4°C, a feature in the kinetics of cooling is visible, associated with the restructuring of the water structure when passing the point of maximum density.

Download (188KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Stages of the experiment: freezing water in a plastic mold with a temperature sensor in the center in the freezer, separating the plastic mold, weighing the ice ball, fixing it over a glass to collect melt water, continuously measuring the mass of melt water and the temperature both inside and outside the ice ball.

Download (313KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Schematic representation of temperature distribution at the boundary of a melting sphere (air–water–ice).

Download (151KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Kinetics of melt water accumulation during melting of ice balls of different initial masses. Solid curves show fitting of experimental data using expressions (4). A small time shift was also made, t → t–t1, taking into account that in the first 10–20 min the balls were heated from the freezer temperature to the melting temperature. In this case, melt water was not formed. Temperatures inside the ice balls (approximately in their centers) were measured with a DS18B20 temperature sensor, and on the surface – with both NTC thermistors and chromel-alumel thermocouples. It is evident that during melting the temperature inside the balls was 0°C. The subsequent increase in temperature is associated with the exit of the temperature sensor from the volume of the ball to its surface and the contact of the sensor with warm air.

Download (269KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences