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October 24, 2021

冰是用于表示固态水的通用名称(“水晶”一词本身来自希腊语,意为“冰”)。它是一种透明的结晶固体:在标准大气压 (101 325 Pa) 下,液态水冷却至 0 °C (273.15 K,32 °F) 以下时会发生相变。

描述

凝固

由于过冷现象(高达-42°C)或压力高于正常压力(高达-30°C),水甚至可以在0°C以下保持液态;反之亦然,冰也可以在高于 0°C 的温度和低于正常压力的情况下形成。水有 15 种不同的固相,但最常见的是 Ih,它是生物圈中唯一存在的一种,除了在高层大气中发现的一小部分 Ic。在与正常冰不同的压力下形成的冰的各个相具有与普通冰不同的晶体结构。冰、水和水蒸气可以在三相点共存,对于该系统,三相点的温度为 273.16 K (0.01 °C),压力为 611.73 Pa。

特点

冰的一个不寻常特征是固体的密度比液态水的密度低约 8%。在0℃和大气压下,冰的密度为0.917克/立方厘米,水为0.9998克/立方厘米。液态水在 4 °C 时达到其最大密度,恰好为 1 g/cm³,从该值开始,当温度下降到 0 °C 时,当其分子开始排列成六边形几何形状时,它的密度会降低,这将导致冰的形成。这是由于水分子之间通过氢原子形成的键,当水结冰时,氢原子排列分子的效率降低(就体积而言)。一个后果是冰浮在水面上,地球气候的一个重要因素,对水生生物(以及一般生命)至关重要,因为它通过阻止对流现象,防止下面的水继续冷却和冻结一切。

在冰上移动的物体会“滑动”,也就是说,它的速度不会显着降低。这是因为静止在冰上的物体受到向下推动的重力;这种力表现为一种压力,作用在物体和下面的冰之间的接触面上,导致冰的部分融化,形成一层薄薄的水,附着在物体上,使其能够滑动。由于上述薄层水的形成,两个固体表面(滑动体和冻结表面)没有直接接触,因此由于粘性摩擦(发生在水和固体表面之间)而使运动减慢),明显低于如果固体表面直接接触会发生滑动摩擦。此外,压力由施加的力与接触表面积之间的比值 (p F / A) 给出,因此减小接触表面积会增加压力,因此下面的冰更容易融化,因此摩擦力更小。为此,溜冰鞋的刀片必须非常薄。摩擦也会产生热量,这在一定程度上有助于形成水层。最后,为了在冰上滑动,冰面必须足够光滑;例如,如果冰是由水体缓慢凝固形成的,则满足此条件。然而,先前的理论并没有解释为什么即使是很小的轻物体也能在冰上滑动。出于这个原因,该理论已被另一种理论所取代,根据该理论,减少摩擦的主要原因与以下事实有关:靠近表面的分子比主体分子(表面的一部分)具有更大的流动性固体离固体本身发生物质、动量和热量交换的区域足够远,以免感知到影响),所以它们允许滑动。摩擦与以下事实有关:靠近表面的分子比主体分子(固体部分离固体本身发生物质、动量和热量交换的区域足够远)具有更大的流动性,以免感知效果),因此它们允许滑动。摩擦与以下事实有关:靠近表面的分子比主体分子(固体部分离固体本身发生物质、动量和热量交换的区域足够远)具有更大的流动性,以免感知效果),因此它们允许滑动。

冰的种类

我们处理的冰雪通常具有六方晶体结构,称为冰 Ih。只有比六边形稍微不稳定(亚稳定)的是立方体(冰 Ic)。通过进一步冷却冰Ih,获得质子排列的不同构造,即冰相XI。通过利用冷却和压力,可以根据冰相图生产其他类型的冰。到目前为止,已知有 15 种不同的相,除了已经提到的那些,还包括 II、III、V、VI、VII、VIII、IX 和 X。小心地将所有这些类型(除了 X 相)都恢复到室温。各种类型的晶体结构、排序和密度不同。冰的两个阶段是亚稳态的:IV 和 XII。 Ice XII 于 1996 年被发现。 XIII 和 XIV 相于 2006 年被发现。冰 XI、XIII 和 XIV 分别是冰 Ih、V 和 XII 的有序形式。 2009年,在-143°C的温度下在极高压力下发现了冰XV。人们相信,在更高的压力下,冰会呈现出金属结构;所需压力估计约为 1.55 TPa 或 5.62 TPa。除了结晶相之外,凝固水还可以以无定形状态存在:无定形固体水、低密度无定形冰、高密度无定形冰、具有极高密度的无定形冰和过冷的玻璃水。霜是一种冰,由空气中存在的蒸汽与冷物体接触形成霜(准确地说是从气态直接转变为固态的技术术语)。它包含大量被困空气,使其看起来是白色而不是透明的,并且其密度约为纯冰的四分之一。当温度低于 0°C 时,雾气是由雾中的水滴在表面冻结形成的。当水滴下并重新冻结时,冰也可以形成冰柱,外观与钟乳石相似。水合包合物是冰的形式,其中包含被困在其晶体​​结构中的气体分子。薄饼冰是一种通常在不太平静的地区形成的冰层。一些冰和木屑的混合物,称为“pykrete”,表现出比普通冰更大的机械阻力。一些其他物质(特别是通常以流体形式存在的物质的固体形式)也称为“冰”:例如,干冰就是通常称为固体二氧化碳的术语。它们被称为“冰”:例如,干冰是常用于指代固态二氧化碳的术语。它们被称为“冰”:例如,干冰是通常称为固体二氧化碳的术语。

地球上的冰

超过 90% 的陆地淡水资源都包含在冰中。来自地球大气层的固体降水是由冰组成的,例如在普通雪花中聚集的结晶胚芽上的水蒸气结晶得到的冰晶,云水滴直接凝固形成的冰雹,霜、霜、霜、玻璃和彩色玻璃.冰川和极冠的纯致密冰是由雪通过冰晶的变质过程形成的,而冰架则直接来源于海水的凝固。整个陆地冰形成冰冻圈。研究冰作为地壳组成部分的学科是冰川学。

效果和重要性

冰川和山雪的融化为下游的河流和湖泊提供养料。然而,地球上的大部分冰川正在消退。我们星球冰冷的白色表面将太阳热量反射回太空并减少温室效应。几乎在每个地方,极地冰盖和冰架也在缩小。海洋表面的增加(对极地冰盖和赤道地区海平面上升都有不利影响)吸收了更多的太阳热量,并导致全球变暖和冰层融化(反馈)。此外,冰川融化导致下方较暗岩石的太阳热量暴露,从而吸收更多热量并在这种情况下引起反馈。

与人类的关系

当冰融化时,它吸收的能量(熔化潜热)等于将同等质量的水的温度升高 80°C 所需的能量,同时其温度保持恒定在 0°C。因此,冰长期以来一直被用作有效的冷却介质。直到最近,匈牙利议会大楼还在使用冬天从巴拉顿湖收集的冰作为空调的主要资源。冰箱被用来在冬天储存冰块,以便在夏天保存易腐烂的物品,而第一台冰箱则是在里面储存一块冰块。制作和使用冰块或碎冰在冷饮中很常见。 L'早在 1775 年冰箱发明之前,人类第一次能够人工冻结大量水,从而在没有低温的情况下制冰。一个装有水的水箱,这导致内部压力降低,导致水的凝固温度上升到超过液体本身的温度,随后凝固成冰。这在冬季娱乐活动中也很重要,尤其是滑冰、冰球、冰壶、冰川登山等运动。冰也可能是一个障碍;对于靠近地理极点的港口,没有冰是必不可少的。例如摩尔曼斯克(俄罗斯)、佩琴加(俄罗斯,前身为芬兰)和瓦尔多。使用特殊破冰船打开非无冰港口。

文学

一个虚构的“冰九”出现在库尔特冯内古特的短篇小说冰九中。实际上,在化学中,术语冰 IX(和其他罗马数字)表示具有特定特性的固相,仅在一定的压力和温度范围内稳定。在不同的温度和压力下,该相可能仍然存在,但它会变成亚稳态,即倾向于自发地转变为稳定相,条件越快偏离其自身的稳定区。举个例子,通过加热钢直到它达到奥氏体相然后淬火,或者通过快速冷却来阻止转变,在环境压力和温度下获得亚稳相。这种亚稳态相具有很强的抗性和延展性。特别是,真正的冰 IX 没有想象中的冯内古特冰九的特性,在环境压力和温度下不稳定。在小说《斯米拉的雪感》中,主人公凭借她对冰雪类型的深入了解,设法破获了一起谋杀案。 2007 年 5 月,在红矮星 GJ 436 周围发现了一颗由水形成的系外行星。在这颗行星的气态表面下,假设冰应该以固体形式存在,例如 VIII 或 X 的配置,这些配置在地球上只能在实验室中重现。由于他对冰雪类型的深入了解,他设法破获了一起谋杀案。 2007 年 5 月,在红矮星 GJ 436 周围发现了一颗由水形成的系外行星。在这颗行星的气态表面下,假设冰应该以固体形式存在,例如 VIII 或 X 的配置,这些配置在地球上只能在实验室中重现。由于他对冰雪类型的深入了解,他设法破获了一起谋杀案。 2007 年 5 月,在红矮星 GJ 436 周围发现了一颗由水形成的系外行星。在这颗行星的气态表面下,假设冰应该以固体形式存在,例如 VIII 或 X 的配置,这些配置在地球上只能在实验室中重现。

笔记

相关项目

其他项目

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外部链接

冰,在 Treccani.it - 在线百科全书,意大利百科全书研究所。(EN) Ice / Ice (other version) / Ice (other version), in Encyclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc. (EN) its.caltech.edu 上的水的相图,包括冰的变体。(CN) webmineral voice on ice,在 webmineral.com。(EN) Mindat.org 上的 MinDat.org 语音和数据。冰,在 Treccani.it - 在线百科全书,意大利百科全书研究所。