Wie stark dehnt sich die Kraft des Eises beim Gefrieren aus?

Aber was würden wir bekommen? Komprimiertes Eis? Kann man das überhaupt? Kann man Eis komprimieren?

Absolut; alle passiven Materialien können komprimiert werden. Der Kompressionsmodul , eine Materialeigenschaft mit Druckeinheiten, koppelt den ausgeübten Druck an eine relative Volumenverringerung. Der Kompressionsmodul für Eis bei 0 °C beträgt etwa 8 GPa, was bedeutet, dass etwa 8 MPa oder 80 bar Druck für eine Volumenänderung von -0,1 % erforderlich sind.

Was passiert, wenn sich Wasser ausdehnen sollte, aber kein Platz dafür vorhanden ist und der Behälter zu stark ist, um sich zu verformen?

Hier ist ein Phasendiagramm für Wasser hilfreich. Die Diskussion in Powell-Palm et al. ‚s „Gefrieren von Wasser bei konstantem Volumen und unter Begrenzung“ enthält ein Volumen-Temperatur-Phasendiagramm:

Daraus können wir die Gleichgewichtsreaktion vorhersagen, wenn Wasser mit konstantem Volumen erwärmt oder gekühlt wird (durch vertikale Bewegung) oder Wasser mit konstanter Temperatur komprimiert oder expandiert wird (durch horizontale Bewegung). Wir stellen fest, dass bei konstantem Volumen (von 0 °C und 1 g/cc vertikal nach unten) über 200 MPa und 20 °C Unterkühlung erforderlich sind*, um auch nur 50 % Wasser- und Eisbrei zu erhalten.

Lassen Sie uns ein wenig herauszoomen. Von Powell-Palm, „Auf einem Temperatur-Volumen-Phasendiagramm für Wasser und dreiphasige invariante Reaktionen in reinen Substanzen“, finden wir, dass 209,9 MPa letztendlich erforderlich sind* für eine vollständige Verfestigung in einem Zweiphasenbereich (im Gleichgewicht). Eis-Ih (normales Eis) und Eis-III :

(Beachten Sie, dass „0,00611 MPa“ „0,000611 MPa“ lauten sollte – die Autoren haben eine Null übersehen.)

Wir können dies so interpretieren, dass die kompakte Struktur von Eis-III eine Lösung für das Problem bietet, dass Eis-Ih ungewöhnlich voluminös ist. Wir finden aus dem Temperatur-Druck-Phasendiagramm von Wasser, dass dieses Eis-III (im Gleichgewicht) beim Abkühlen auf 251 K oder -22 ° C Keime bildet:

Bei weiterer Abkühlung verwandelt sich das Eis-I-Eis-III-Gemisch* in Eis-I- Eis-II , dann in Eis-IX –Eis-II und dann in Eis-XI –Eis-IX. (Wie kann dies bestimmt werden, da das Volumen-Temperatur-Diagramm keine dieser Informationen enthält? Es ergibt sich aus der horizontalen Linie auf dem Temperatur-Druck-Diagramm und dem Wissen, dass Eis-I und Eis-XI spezifische Volumina von> 1 haben g/cc und dass Eis-II, Eis-III und Eis-IX spezifische Volumina von < 1 g/cc haben; daher ist eine Kombination aus höherer und niedrigerer Dichte erforderlich, um 1 cc/g konstant zu halten, und Wir können beim Abkühlen bei konstantem Volumen kein Jota über oder unter diese Zweiphasenlinie bewegen.)

Beachten Sie, dass unter der Bedingung konstanten Volumens keine Leistung erzeugt werden kann, da keine Verschiebung auftritt. Und obwohl es kein thermodynamisches Verbot gibt, dem System zu erlauben, sich auszudehnen und nützliche Arbeit zu leisten, müsste man es wieder erhitzen, um es zu verflüssigen, um den Vorgang zu wiederholen, und dies würde die gewonnene Energie verbrauchen.

*Beachten Sie, dass sich diese Antwort immer auf Vorhersagen der Gleichgewichtsphase bezieht. Eine ausreichend schnelle Abkühlung bringt kinetische Beschränkungen mit sich, die Phasenübergänge verzögern oder im Wesentlichen sogar ausschließen. Beispielsweise kann flüssiges Wasser schnell genug gekühlt werden, dass sich im Wesentlichen nie Kristalle bilden, obwohl die thermodynamische Antriebskraft groß ist. Hier wird gesagt, dass sich das feste Wasser in einem glasigen oder amorphen Zustand befindet .

(Siehe auch das lustige drehbare 3D-Phasendiagramm von Wasser hier .)

Zusammenfassung:

Per Antwort von Chemomechanics auf -22 ° C:

Es kühlt als Wasser bei Raumtemperatur und Raumtemperatur und Volumen (und damit Raumdichte) auf 0 ° C ab. Wenn es dann gekühlt wird, geht es bei etwa 10 Atmosphären von 0 ° C Wasser zu 0 ° C Eiswasser über. Dann kühlt es als Mischung aus Wasser und Eis auf -22 ° C ab, und es werden über 2.000 Atmosphären Druck benötigt, um es auf demselben Volumen / derselben Dichte zu halten. Bei -22°C wird es schließlich ganz zu Eis.

Unten die Antwort der Chemomechanik auf 0K:

Dann kühlt es als Kombination aus normalem Eis und Eis-III (tetragonales kristallines Eis) (jeweils etwa zur Hälfte) auf -38 ° C ab und bleibt überraschenderweise bei etwa demselben Druck (da es nicht viel mehr Druck als die 2.000 Atmosphären kühlt). benötigt, um sein Volumen konstant zu halten). Dann wird es zu einer Kombination aus normalem Eis und Eis-II (rhomboedrische kristalline Form von Eis mit einer hochgeordneten Struktur, jeweils etwa zur Hälfte), immer noch bei ungefähr demselben Druck. Schließlich ist die Kombination unterhalb von ~165 K normales Eis und Eis-IX, und dies kühlt auf 0 K ab, überraschenderweise wieder bei ungefähr demselben Druck (~ 2000 Atmosphären).

Also: Von 0 °C Wasser zu 0 °C Eis/Wasser-Kombination steigt der Druck bei gleicher Dichte von 1 Atmosphäre auf über 10. Dann steigt der Druck von 0 °C auf -22 °C auf 2.000 Atmosphären und an diesem Punkt wird es schließlich zu Eis. Dann steigt der Druck bis zum absoluten Nullpunkt nicht mehr stark an.

Wie ich das festgestellt habe und mehr Details

Eine große Metallkugel kann sich immer noch lokal verformen, auch wenn der Radius unendlich ist. Es würde nicht platzen, aber es würde seine Form ändern, weil die Kraft groß ist.

Das heißt, wir können uns vorstellen, dass das Kühlwasser das Volumen konstant hält. Wenn Sie eine konstante Masse von H2O und ein konstantes Volumen haben, dann haben Sie eine konstante Dichte. Und ein konstantes „spezifisches Volumen“, das 1 / Dichte ist.

Abkühlen auf -22 °C:

Ich werde auf die lange Antwort des Experten Chemomechanics oben mit Bildern verweisen und sie für einen Laien erklären, soweit es geht (es geht bis -22 ° C, 210 MPa, was der erste Punkt von 100% Eis ist, und stoppt dann). Den Rest beantworte ich dann.

Schauen Sie sich seine Antwort an und finden Sie diesen Text und das Bild darüber: „Daraus können wir die Gleichgewichtsreaktion beim Kühlen von Wasser bei konstantem Volumen vorhersagen. Wir stellen fest, dass bei konstantem Volumen (von 0 °C und 1 g/cc vertikal nach unten bewegt) über 200 MPa und 20 °C Unterkühlung vorausgesagt werden, selbst um etwa 50 % Wasser- und Eisbrei zu erhalten.“

Was er sagt, ist, dass wenn wir 1 g Wasser hätten und das Volumen konstant bei 1 cc halten, dann haben wir eine Dichte von 1 g/cc und ein spezifisches Volumen von 1 cc/g (oder jede Menge Wasser, die bei dieser Dichte gehalten wird). , und das ist die Dichte von Wasser bei Raumtemperatur und Druck. Deshalb ist dieses spezielle Volumen unser Problem. Temperatur und Druck können sich ändern, aber nicht das spezifische Volumen. Die Zahl sagt kg/cc und fügt dann „mal 10^(-3)“ hinzu; wäre einfacher, einfach g/cc zu sagen.

Wenn wir also bei Raumtemperatur und einem Druck von 30 ° C beginnen, ist es Wasser mit 1 cc / g. Dieser Punkt würde über dem liegen, was das Bild abdeckt. Und wenn wir abkühlen und direkt nach unten gehen, bleibt die Dichte über dem, was das Bild bedeckt, konstant bei 1, ebenso der Druck, bis wir 0 ° C erreichen, und dieser Punkt befindet sich oben auf dem Bild. Hier treffen Wasser und Eis aufeinander und das Gefrieren beginnt. Punktkoordinaten (1, 0C).

Jetzt müssen wir uns von diesem Punkt aus zwei Wege vorstellen (1 cc/g, 0C):

1. Halten Sie den Druck, nicht das Volumen, konstant und kühlen Sie ihn ab. Dies ist der Normalfall. Das würde sich horizontal nach rechts bewegen. Die Dichte nimmt ab (es dehnt sich aus) und geht durch Eiswasser und wird bei 0 ° C und ~ 1,08 cc / g zu Eis. Die Temperatur sinkt auch beim Abkühlen nicht, bis alles Eis ist. Dann würde weiteres Abkühlen bei Raumtemperatur das Eis auf eine niedrigere Temperatur bringen.

2. Unser Problem: Spezifisches Volumen konstant bei 1 halten und abkühlen. Dies bedeutet, dass Sie direkt nach unten gehen. Und um die Temperatur auch nur um 20 °C zu senken, sind 200 MPa Druck erforderlich! und es wäre noch nicht einmal Eis – eine Mischung. Das ist das 2.000-fache des atmosphärischen Drucks, um die Dichte (das Volumen) konstant zu halten. Und das reicht aus, um jedes Metall dauerhaft zu verformen, damit es nicht so passiert. Sie könnten Siliziumnitrid verwenden, es würde überhaupt nicht viel geben (jedes echte Material würde etwas geben, aber wir tun so, als ob es möglich wäre).

Dann sagt er, dass eine fortgesetzte Kühlung den Druck weiter erhöhen würde, bis auf 209,9 MPa, und dann wäre bei -22 ° C (251 K) alles Eis. Dann beendet er seine Antwort.

Von -22 °C bis 0 K:

Dann steigt der Druck überraschenderweise nicht stark an, um diese Dichte zu halten. In der zweiten Abbildung gehen wir bei einer bestimmten Lautstärke von 10 direkt nach unten, was unsere Situation in verschiedenen Einheiten ist (beachten Sie die kleinen 10 ^ (-4) unten links). Es geht direkt durch die Mitte der Region, die die Mischung aus regulärem Eis und Eis-III (tetragonales kristallines Eis) ist, und dann durch die Mitte der Region aus regulärem Eis und Eis-II (rhomboedrische kristalline Form von Eis mit einer hohen Ordnung). Struktur). Siehe nun dritte Abbildung. Schließlich, unter ~165K, ist die Kombination normales Eis und Eis-IX.

In der dritten Abbildung ist all dies unter -22 ° C die Linie zwischen diesen Phasen, und sie ist horizontal !!! bei etwa 200 MPa bis zum absoluten Nullpunkt, was ungefähr konstanten Druck bedeutet. Woher wissen wir, dass wir auf dieser horizontalen Linie bleiben und nicht in reines Eis-II oder eine Kombination aus Eis-II und Eis-IX gehen? Denn die Dichten von II, II, IX liegen deutlich unter 1. Es braucht also die Kombination von Eis-IL oder Eis-IH mit seiner höheren Dichte (geringeres spezifisches Volumen) und einem der anderen Eise, um bei der Dichte von 1 zu bleiben. Bedeutung Wir bleiben in der dritten Figur auf dieser horizontalen Linie.

Unterhalb von 65K ändert sich der reguläre Eisanteil zu Eis-XI, das ebenfalls eine Dichte unter 1 hat und eigentlich nur eine andere Form von Eis-IH ist. Die Dichte aller ist (sehr grob) gleich weit von 1 entfernt (egal ob oben oder unten), so dass das Phasengemisch auf dem Weg nach unten jeweils (ungefähr) etwa die Hälfte beträgt.

Zur Energieumwandlung im Prozess:

Gilt der Energieerhaltungssatz, so wird nur Energie umgewandelt , insofern kann die beim Expandieren verrichtete Arbeit die der Temperaturdifferenz entsprechende Energiedifferenz nicht überschreiten.

Das Beste, was Sie tun können, ist die Gewinnschwelle.

Nehmen wir an, Sie haben eine natürliche Quelle für Temperaturunterschiede. Angenommen, Sie befinden sich in der Nähe einer heißen Quelle in einer Polarregion (solche heißen Quellen gibt es wahrscheinlich in Island).

So können Sie Wärmetauscher aufstellen und zwischen dem Kühlen und dem Wiederaufheizen wechseln.

Auch wenn Sie den Temperaturwechsel im Wesentlichen kostenlos erhalten: Er eignet sich überhaupt nicht zum Ernten von Energie. Die Kraft ist groß, aber die mechanische Verschiebung ist sehr klein.

Ein Dynamo benötigt viele Umdrehungen. Ich sehe keinen praktischen Weg, um eine so kleine mechanische Verschiebung in eine größere Verschiebung (mit entsprechend geringerer Kraft) umzuwandeln, damit sich ein Dynamo mit ausreichender Geschwindigkeit dreht.

Vielleicht ist folgendes eine Möglichkeit:
Angenommen, es gibt einen Steinbruch mit einer Steinsorte, die viele Risse hat. Es kann wirtschaftlich sein, Folgendes zu tun: Wärme einbringen, um den Stein über den Gefrierpunkt zu bringen, damit Sie Wasser in die Risse gießen können, und dann die Wärmequelle entfernen, damit der Stein mit Wasser in den Rissen verschwindet wieder unter Null.

Das ist wahrscheinlich energieeffizienter als der Einsatz schwerer Maschinen.

Tatsächlich gibt es Produkte auf dem Markt, die als „Abbruchmörtel“ bezeichnet werden.
Sie bohren eine Reihe von Löchern, mischen den Mörtel mit genau der richtigen Menge Wasser und füllen die Löcher mit dieser Mischung.
Die Chemie des Mörtels ist so, dass er sich mit dem Wasser verbindet und dann eine Rekristallisation in eine Form durchläuft, die mehr Volumen einnimmt.

Die anderen Antworten eignen sich hervorragend zur Erläuterung der Theorie.

Es gibt ein gutes Youtube-Video „ Can You Stop Water From Expanding When It Freezes Into Ice “, das ein praktisches Experiment zeigt, in dem versucht wird, gefrierendes Eis in einem Stahlrohr einzudämmen, und dann den Druck erklärt, der erforderlich ist, um gefrierendes Eis einzudämmen.

Ich habe nicht den Ruf, einen Kommentar abzugeben, weshalb ich dies als Antwort geschrieben habe. Entschuldigung, wenn das falsch war.