Wie kann man die Niagara-Wasserfälle einfrieren?

Ich bin neugierig zu wissen, unter welchen Bedingungen des Luftdrucks (atm), der Temperatur und der Dichte der gelösten Stoffe im Wasser der Niagara-Fall gefroren wäre?

Im Allgemeinen lautet die Antwort "etwas niedriger als 32 Fahrenheit". Hier sind zwei Dinge, von denen man denken könnte, dass sie ins Spiel kommen, aber tatsächlich nicht in nennenswertem Umfang.

• Konzentration gelöster Stoffe

Die wichtigsten gelösten Stoffe, die in den Großen Seen vorhanden sind, sind Natrium, Chlorid und eine Vielzahl anderer Ionen in geringeren Mengen. Laut der Website der Regierung hier liegt die typische Natriumkonzentration in den Großen Seen in der Größenordnung von 10 mg/L. Dies liegt gut innerhalb des Regimes des idealen Lösungsverhaltens, und so erhalten wir eine Gefrierpunktserniedrigung von$\Delta T\approx k_fbi=0.0016$Kelvin (unter der Annahme von NaCl). Dies ist im Vergleich zu saisonalen Temperaturschwankungen winzig, sodass die Konzentration gelöster Stoffe größtenteils ignoriert werden kann.

• Luftdruck

Auch der Luftdruck ist aus zwei Gründen fast völlig vernachlässigbar. Einer ist, dass die Druckvariation durch die Wassertiefe des Wassers viel größer ist als typische atmosphärische Druckvariationen; Beispielsweise liegt der atmosphärische Druck zwischen 29,5 und 30,5 inHg , was mit der Druckschwankung in einem Fuß Wasser vergleichbar ist (und der Fluss ist an den meisten Stellen erheblich tiefer als einen Fuß). Zweitens sagt die linearisierte Clausius-Clapeyron-Beziehung selbst unter Berücksichtigung von Druckschwankungen sowohl in der Atmosphäre als auch im Wasser selbst eine vernachlässigbare Temperaturabhängigkeit voraus. Beispielsweise erhalten wir für den Wasser-Eis-Phasenübergang

$$\frac{\Delta T}{\Delta P}=\frac{T\Delta v}{L}=0.00025\mbox{K/inHg}$$ was bedeutet, dass saisonale oder tägliche Schwankungen des atmosphärischen Drucks den Gefrierpunkt nur um etwas in der Größenordnung von Millikelvin ändern. Daher sind atmosphärische Druckschwankungen und höchstwahrscheinlich Druckschwankungen in der Wassertiefe im Vergleich zu jahreszeitlichen Temperaturschwankungen vernachlässigbar.

• Sachen, die das weglässt

Dies lässt offensichtlich viele kinetische und Geschwindigkeitsinformationen aus. Beispielsweise erwärmt eine dissipative Heizung am Fuß des Wasserfalls das Wasser dort um ungefähr

$$\Delta T=\frac{mgh}{C_p}=0.12\mbox{K}$$ was den Beitrag aufgrund des Luftdrucks und der Konzentration gelöster Stoffe leicht überschwemmt. Dies ignoriert auch Keimbildungseffekte und die Abkühlungsraten durch Verdunstungskühlung und Luftkühlung, so dass es nichts darüber aussagt, wie lange man warten müsste, bis der gesamte Wasserfall bei der und der Temperatur gefriert. Ich denke jedoch, dass man mit Sicherheit sagen kann, dass die Temperatur etwas unter 32 ° F liegen muss, damit die Wasserfälle gefrieren. Es kann sich auch lohnen, in historischen Archiven nachzusehen, wie die mittlere Temperatur in den Jahren für die von Ihnen geposteten Fotos war.

Ich bin mir nicht ganz sicher, was Sie mit Van-der-Waals-Kraft meinen, da diese innerhalb einer bestimmten Substanz ziemlich konstant sein wird.

Berücksichtigen Sie die Bedingungen von fast vollständig gefrorenen Wasserfällen: Das bedeutet, dass Wasserzweige von der Spitze der Wasserfälle gefroren sind und mit dem Boden der Wasserfälle verbunden sind.

Das von Ihnen gezeigte Bild deutet darauf hin, dass es sich bei den Materialien, die von der Oberseite des Wasserfalls bis zur Unterseite verbinden, um Eiszapfen handelt, die nur mit nicht so schnell fließendem Wasser gebildet werden können, da sonst ein Wasserfluss mit hoher Geschwindigkeit den Eiszapfen schmelzen kann.

Gibt es einige einfache qualitative Beziehungen oder quantitative Formeln, die den Gefrierpunkt für Wasserfall beschreiben?

Das Erste, was man wissen muss, ist, dass Wasserfälle kein statisches System sind und daher nicht nur durch thermodynamische Variablen spezifiziert werden können$P$,$V$,$T$. Auch die Temperatur der Luft kann sich von der Temperatur des Flusses unterscheiden. Da Wasser unter Schwerkraft fließt, ist es schwer, es einzufrieren, da die Gravitationsenergie aufgrund von Reibung und Viskosität ständig in Wärme umgewandelt wird (andernfalls würde das Wasser immer schneller fließen, was nicht der Fall ist). Wenn die Temperatur kalt genug ist, bildet sich außerdem Eis auf dem Fluss. Eis ist kein guter Leiter, so dass es noch länger dauert, bis der Fluss vollständig zufriert. Es ähnelt dem "gefrorenen" See, der oft eine dicke Eisschicht oben und Wasser darunter hat. In solchen Fällen ist die Wassertemperatur normalerweise nahe oder etwas höher als$0^oC$, die höher ist als die atmosphärische Temperatur.

Das bedeutet, dass es keine einfache Einzelbedingung eines „gefrorenen“ Wasserfalls gibt. Es hängt auch von der Form des Flusses und anderen "externen" Faktoren als dem Fluss selbst ab. Stattdessen kann es mit vielen verschiedenen Bedingungen erreicht werden.

Das heißt, der wichtigste Faktor sollte ein langsamer Wasserfluss sein. Die Breite und Tiefe des Flusses ist ein wichtiger Faktor. Auch der Umfang des Wasserfalls. Da wir überlegen, wie lange es dauert, bis sich Eiszapfen mit dem Boden verbinden, spielt auch die Höhe des Wasserfalls eine Rolle. Das Wichtigste sollte sein, dass es lange genug keinen Regenfall und kein kaltes Wetter gibt, um den Quellteil des Flusses einzufrieren, damit das Wasservolumen gering ist. Mit einer Kombination aus diesen sollten wir in der Lage sein zu sehen, wie der Wasserfall nach langer Zeit eingefroren ist.

Berücksichtigen Sie die Bedingungen von fast vollständig gefrorenen Wasserfällen: Das bedeutet, dass Wasserzweige von der Spitze der Wasserfälle gefroren sind und mit dem Boden der Wasserfälle verbunden sind.

Solange das Wasser den Nullgrad C erreicht ... gefriert es ... egal in welcher Situation ... Position ... Ort ... usw.