¿Qué tan fuerte es la fuerza de expansión del hielo cuando se congela?

Pero, ¿qué obtendríamos? Hielo comprimido? ¿Puede esto siquiera estar terminado? ¿Se puede comprimir hielo?

Absolutamente; todos los materiales pasivos se pueden comprimir. El módulo de volumen , una propiedad del material con unidades de presión, acopla la presión aplicada a una reducción relativa en volumen. El módulo de volumen para el hielo a 0 °C es de alrededor de 8 GPa, lo que significa que se requieren alrededor de 8 MPa o 80 bar de presión para un cambio volumétrico de -0,1 %.

¿Qué sucede cuando el agua debería expandirse, pero no hay espacio para que lo haga y el recipiente es demasiado fuerte para deformarse?

Aquí, un diagrama de fase para el agua es útil. La discusión en "Congelación de agua a volumen constante y bajo confinamiento" de Powell-Palm et al. incluye un diagrama de fase de volumen-temperatura:

A partir de esto, podemos predecir la respuesta de equilibrio cuando se calienta o enfría agua a volumen constante (moviéndose verticalmente) o cuando se comprime o expande agua a temperatura constante (moviéndose horizontalmente). Encontramos que a volumen constante (moviéndose verticalmente hacia abajo desde 0 °C y 1 g/cc), se requiere un subenfriamiento de más de 200 MPa y 20 °C* para obtener incluso un 50 % de aguanieve y hielo.

Alejémonos un poco. De Powell-Palm, "En un diagrama de fase temperatura-volumen para agua y reacciones invariantes trifásicas en sustancias puras", encontramos que en última instancia se requieren 209,9 MPa * para la solidificación completa, en una región de dos fases (en equilibrio) de ice-Ih (hielo ordinario) y ice-III :

(Tenga en cuenta que "0,00611 MPa" debe leerse "0,000611 MPa"; los autores no pusieron un cero).

Podemos interpretar esto como que la estructura compacta del hielo-III proporciona una solución al problema de que el hielo-Ih es anómalamente voluminoso. Encontramos a partir del diagrama de fase de temperatura-presión del agua que este hielo-III se nuclea (en equilibrio) al enfriarse a 251 K, o -22°C:

Con más enfriamiento, la mezcla de hielo-I-hielo-III se transforma* en hielo-I- hielo-II , luego en hielo-IX -hielo-II y luego en hielo-XI -hielo-IX. (¿Cómo se puede determinar esto, dado que el gráfico de volumen-temperatura no incluye ninguna de esa información? Es a partir de la línea horizontal en el gráfico de temperatura-presión y el conocimiento de que el hielo-I y el hielo-XI tienen volúmenes específicos de >1 g/cc y que el hielo-II, el hielo-III y el hielo-IX tienen volúmenes específicos de <1 g/cc; por lo tanto, se requiere una combinación de mayor y menor densidad para mantener una constante de 1 cc/g, y no podemos mover un ápice por encima o por debajo de esa línea de dos fases al enfriar a volumen constante).

Tenga en cuenta que no se puede generar potencia bajo la condición de volumen constante, ya que no se produce desplazamiento. Y aunque la termodinámica no prohíbe que se permita que el sistema se expanda y realice un trabajo útil, tendrías que volver a calentarlo para licuarlo y repetir el proceso, y esto consumiría la energía que ganaste.

*Tenga en cuenta que esta respuesta siempre se refiere a predicciones de fase de equilibrio. El enfriamiento suficientemente rápido implica limitaciones cinéticas que retrasan o incluso impiden esencialmente las transiciones de fase. Por ejemplo, el agua líquida se puede enfriar lo suficientemente rápido como para que los cristales nunca se formen, aunque la fuerza impulsora termodinámica sea grande. Aquí, se dice que el agua sólida está en un estado vítreo o amorfo .

(Consulte también el divertido diagrama de fase 3D giratorio del agua aquí ).

Resumen:

Según la respuesta de Quimiomecánica , a -22C:

Se enfriará como agua a presión, temperatura y volumen de la habitación (y, por lo tanto, densidad de la habitación) hasta 0 °C. Luego, a medida que se enfría, pasa de 0C de agua a 0C de agua helada a alrededor de 10 atmósferas. Luego se enfriará a -22 °C como una mezcla de agua y hielo, y se necesitarán más de 2000 atmósferas de presión para mantenerlo en el mismo volumen/densidad. A -22C finalmente se vuelve todo hielo.

Debajo de la respuesta de Quimiomecánica hasta 0K:

Luego se enfriará como una combinación de hielo regular y hielo-III (hielo cristalino tetragonal) (alrededor de la mitad de cada uno) a -38C, sorprendentemente permaneciendo aproximadamente a la misma presión (ya que enfría no hay mucha más presión por encima de las 2,000 atmósferas). necesario para mantener su volumen constante). Luego se convierte en una combinación de hielo normal y hielo-II (forma cristalina romboédrica de hielo con una estructura altamente ordenada, también alrededor de la mitad de cada uno), todavía a aproximadamente la misma presión. Finalmente, por debajo de ~165K, la combinación es hielo regular y hielo-IX, y esto se enfría a 0 K, sorprendentemente nuevamente a aproximadamente la misma presión (~2000 atmósferas).

Entonces: de 0C de agua a 0C de combinación de hielo/agua, a la misma densidad, la presión pasa de 1 atmósfera a más de 10. Luego, de 0C a -22C, la presión aumenta a 2000 atmósferas y finalmente se convierte en todo hielo en ese punto. Entonces la presión no aumenta mucho hasta llegar al cero absoluto.

Cómo determiné esto y más detalle

Una gran bola de metal aún puede deformarse localmente, incluso si tiene un radio infinito. No estallaría pero cambiaría de forma, porque la fuerza es grande.

Dicho esto, podemos imaginar el agua de enfriamiento manteniendo constante el volumen. Si tiene una masa constante de H2O y un volumen constante, entonces tiene una densidad constante. Y un “volumen específico” constante, que es 1/densidad.

Enfriamiento a -22C:

Me referiré a la respuesta larga del experto en quimiomecánica anterior con fotos y la explicaré para un lego, hasta donde llega (va a -22C, 210Mpa, que es el primer punto de 100% de hielo, y luego se detiene). Luego contestaré el resto.

Mire su respuesta y encuentre este texto y la imagen de arriba: “A partir de esto, podemos predecir la respuesta de equilibrio cuando se enfría agua a volumen constante. Encontramos que a un volumen constante (moviéndose verticalmente hacia abajo desde 0°C y 1 g/cc), se predice que se requiere un subenfriamiento de más de 200 MPa y 20°C incluso para obtener aproximadamente un 50% de aguanieve y hielo".

Lo que dice es que si tuviéramos 1 g de agua y mantuviéramos el volumen constante en 1 cc, entonces tendríamos una densidad de 1 g/cc y un volumen específico de 1 cc/g (o cualquier cantidad de agua mantenida a esa densidad) , y esa es la densidad del agua a temperatura y presión ambiente. Es por eso que ese volumen específico en particular es nuestro problema. La temperatura y la presión pueden cambiar, pero no el volumen específico. La figura dice kg/cc, y luego agrega “veces 10^(-3)”; sería más simple decir simplemente g/cc.

Entonces, si comenzamos a temperatura ambiente y una presión de 30 ° C, es agua a 1 cc / g. Ese punto estaría por encima de lo que cubre la imagen. Y a medida que enfriamos y bajamos, por encima de lo que cubre la imagen, la densidad permanece constante en 1 y también la presión hasta que llegamos a 0C, y ese punto está en la imagen, en la parte superior. Es donde el agua y el hielo se encuentran y comienza la congelación. Coordenadas del punto (1, 0C).

Ahora tenemos dos caminos para imaginar desde ese punto (1 cc/g, 0C):

1. Mantenga la presión, no el volumen, constante y enfríelo. Este es el caso normal. Eso sería moverse horizontalmente hacia la derecha. La densidad disminuye (se expande) y atraviesa hielo-agua y se convierte en hielo a 0C y ~1.08 cc/g. La temperatura no disminuye incluso cuando se enfría hasta que es todo hielo. Luego, un mayor enfriamiento a presión ambiente haría que el hielo bajara la temperatura.

2. Nuestro problema: mantener el volumen específico constante en 1 y enfriarlo. Esto significa ir directamente hacia abajo. ¡Y para reducir la temperatura, incluso solo 20C, se requieren 200Mpa de presión! y ni siquiera sería hielo todavía, una mezcla. Eso es 2000 veces la presión atmosférica para mantener constante la densidad (volumen). Y eso es suficiente para deformar permanentemente cualquier metal para que no suceda de esa manera. Podrías usar nitruro de silicio, no daría mucho (cualquier material real daría algo, pero seguimos fingiendo que se puede hacer).

Luego dice que el enfriamiento continuo aumentaría más la presión, hasta 209,9 MPa, y entonces sería todo hielo, a -22C (251K). Luego termina su respuesta.

De -22C a 0K:

Entonces, sorprendentemente, la presión no aumenta mucho para mantener esa densidad. En la segunda figura bajamos directamente a un volumen específico de 10, que es nuestra situación en diferentes unidades (nota el pequeño 10^(-4) en la parte inferior izquierda). Pasa directamente por el medio de la región que es la mezcla de hielo regular y hielo-III (hielo cristalino tetragonal) y luego por el medio de la región de hielo regular y hielo-II (forma cristalina romboédrica de hielo con una forma altamente ordenada). estructura). Ahora vea la tercera figura. Finalmente, por debajo de ~165K, la combinación es hielo normal y hielo-IX.

En la tercera figura, todo esto por debajo de -22C es la linea entre esas fases, y es horizontal !!! a alrededor de 200Mpa hasta el cero absoluto, lo que significa una presión aproximadamente constante. ¿Cómo sabemos que permanecemos en esa línea horizontal y no entramos en hielo puro-II o en una combinación de hielo-II y hielo-IX? Porque las densidades de II, II, IX están muy por debajo de 1. Entonces, se necesita la combinación de hielo-IL o hielo-IH con su densidad más alta (volumen específico más bajo) y uno de los otros hielos para permanecer en la densidad de 1. Significado nos quedamos en esa línea horizontal en la tercera figura.

Por debajo de 65K, la porción de hielo regular cambia a hielo-XI, que también tiene una densidad por debajo de 1 y en realidad es solo una forma diferente de hielo-IH. La densidad de todos estos está (muy aproximadamente) a la misma distancia de 1 (ya sea por encima o por debajo), por lo que la mezcla de fases es (aproximadamente) alrededor de la mitad de cada uno en cada caso en el camino hacia abajo.

Sobre la conversión de energía en el proceso:

Si el principio de conservación de la energía se cumple, entonces la energía se convierte solamente, en ese sentido el trabajo realizado al expandirse no puede exceder la diferencia de energía que corresponde a la diferencia de temperatura.

Lo mejor que puede hacer es alcanzar el punto de equilibrio.

Digamos que tienes alguna fuente natural de diferencia de temperatura. Digamos que estás cerca de una fuente termal en una región polar (probablemente existan fuentes termales como esa en Islandia).

Entonces puede configurar intercambiadores de calor, ciclando entre enfriar algo y calentarlo de nuevo.

Incluso si obtiene el ciclo de temperatura esencialmente gratis: no se presta en absoluto a la recolección de energía. La fuerza es grande, pero el desplazamiento mecánico es muy pequeño.

Una dinamo requiere muchas revoluciones. No veo una forma práctica de convertir un desplazamiento mecánico tan pequeño en un desplazamiento más grande (con la fuerza más pequeña correspondiente) para que pueda hacer que una dínamo gire a una velocidad suficiente.

Tal vez la siguiente sea una posibilidad:
digamos que hay una cantera con un tipo de piedra que tiene muchas grietas. Puede resultar económico hacer lo siguiente: introducir calor para que la roca supere el punto de congelación, de modo que pueda verter agua en las grietas y luego retirar la fuente de calor para que la roca con agua en las grietas se vaya. bajo cero de nuevo.

Eso es probablemente más eficiente energéticamente que usar maquinaria pesada.

De hecho, existen productos en el mercado denominados 'lechada de demolición'.
Perforas una fila de agujeros, mezclas la lechada con la cantidad precisa de agua y rellenas los agujeros con esa mezcla.
La química de la lechada es tal que se une al agua y luego experimenta una recristalización en una forma que ocupa más volumen.

Las otras respuestas son excelentes para explicar la teoría.

Hay un buen video de Youtube " Puedes evitar que el agua se expanda cuando se congela en hielo " que muestra un experimento práctico que intenta contener hielo congelado en una tubería de acero y luego explica las presiones requeridas para contener hielo congelado.

No tengo la reputación de comentar, por eso escribí esto como respuesta. Disculpas si esto estuvo mal.