Чи може вода в калюжі замерзнути при позитивній температурі

Ви виходите вранці з дому. Небо ясне, Сонце тільки-тільки здалося з-за обрію. Температура повітря +5 ° С. І раптом помічаєте, що під ногами щось хруснуло, на калюжах за ніч утворився шар льоду. Яким чином це сталося? Всі знають, що температура замерзання води 0 ° С. І все ж таке трапляється. Тому спробуємо розібратися з цим явищем, як фізики.

Будемо виходити з того, що вода чиста (як відомо, сіль і домішки знижують температуру замерзання) і що тиск атмосферний. Таким чином, для початку затвердіння води її температура дійсно повинна впасти нижче нуля. Як це може статися при температурі повітря +5 ° С? За рахунок чого вода може охолоне до температури нижче повітря? Очевидно, що повинен існувати об’єкт, холодніше, ніж повітря, з яким вода вночі обмінюється теплом. І такий об’єкт є – це холодне темне небо.

Як відомо, температура всесвіт близько 2 К. В умовах чистого, безхмарного неба і прозорого повітря ефективна температура чорного неба буде дуже низькою, не більше 100 К. Ось з цим холодним об’єктом і обмінюється вода теплом безконтактним методом, тобто за допомогою теплообміну випромінюванням. Це не дивно, що люди в повсякденному житті більше звертають увагу на теплопровідність, тобто теплообмін при контакті двох об’єктів, і на конвективний теплообмін. Теплообмін випромінюванням пов’язаний для багатьох тільки з нагріванням об’єктів, наприклад Сонцем або за допомогою різних електрокамінів і інфрачервоних обігрівачів. Але ж тепла поверхня землі або калюжі може за тим же законом віддавати тепло менш нагрітого тіла і при цьому сильно остигати.

Для найбільш зацікавлених у цьому питанні відвідувачів нашого сайту наведемо кілька формул з книги крейти і Блека «Основи теплопередачі».

Модель наступна:

Чорна пластина площею поверхні А1 = 2 м2 зарита в землю так, що верхня її поверхня знаходиться на одному рівні з поверхнею землі. Нижня поверхня пластини теплоізольована. Верхня поверхня омивається повітрям при температурі 300 К (коефіцієнт конвективної теплопередачі від повітря до пластини hc дорівнює 10 Вт / м2 ° С). Розрахуємо рівноважну температуру пластини при ясному нічному небі з ефективною температурою неба 100 К.

Щільність потоку випромінювання описується законом Стефана-Больцмана:

F1 = s (T14- T24), де: T1 – температура поверхні, Т2 – температура неба, s – постійна Стефана-Больцмана.

Тепловий потік в пластину, обумовлений конвективної тепловіддачею від повітря:

F2 = hc (Tв – T1), де Тв – температура навколишнього повітря.

В умовах рівноваги двох потоків отримаємо:

5,67. 10-8 (Т14 – 1004) = 10 (300 – Т1)

рішення щодо Т1 дає: Т1 = 270,2 К = – 3 ° С.

Дана модель спрощена, вона, наприклад, не враховує теплообмін води в калюжі з поверхнею землі, на якій вона знаходиться. Але ця модель чітко показує, що поверхня, звернена до неба в холодну ясну ніч може прийняти температуру нижче точки замерзання води. Ви помічали, що осінньої ясною вночі на відкритій стоянці на автомобілях утворюється шар інею, а на автомобілях під дахом або під деревами інею ні? Це відбувається саме тому, що водяна пара з повітря може сконденсуватися на поверхні і замерзнути через теплообміну з небом.

Посилання на основну публікацію