¿Cuál es la fuerza de expansión del hielo al congelarse?

Question

¿Por qué el agua se contrae al fundirse mientras que el oro, el plomo, etc. se dilatan al fundirse? me ha recordado algo que yo mismo me pregunto desde hace tiempo.

Sabemos que el agua se expande al congelarse. La fuerza es formidable: puede provocar la rotura de tuberías de acero macizo. Pero nada es ilimitado. Si creáramos una enorme bola de acero y colocáramos una pequeña cantidad de agua en su interior (en una pequeña cavidad cerrada) y luego la congeláramos, no creo que la gran bola se rompiera.

Pero, ¿qué obtendríamos? ¿Hielo comprimido? ¿Es posible? ¿Se puede comprimir el hielo? ¿O simplemente el agua nunca se congelaría? ¿O sólo se congelaría parcialmente? ¿Y si siguiéramos enfriándola hasta el cero absoluto (o lo más cerca posible)?

¿Qué ocurre cuando el agua debería expandirse, pero no hay espacio para ello y el recipiente es demasiado fuerte para deformarse?

Answer 1

Pero, ¿qué obtendríamos? ¿Hielo comprimido? ¿Se puede hacer? ¿Se puede comprimir hielo?

Absolutamente; todos los materiales pasivos pueden comprimirse. El módulo aparente Una propiedad del material con unidades de presión, asocia la presión aplicada a una reducción relativa del volumen. El módulo aparente del hielo a 0 °C es de unos 8 GPa, lo que significa que se necesitan unos 8 MPa u 80 bares de presión para un cambio volumétrico del -0,1%.

¿Qué ocurre cuando el agua debería expandirse, pero no hay espacio para ello y el recipiente es demasiado fuerte para deformarse?

En este caso, resulta útil un diagrama de fases para el agua. La discusión en Powell-Palm et al.'s "Congelación de agua a volumen constante y bajo confinamiento" incluye un diagrama de fases volumen-temperatura:

A partir de ahí, podemos predecir la respuesta de equilibrio al calentar o enfriar agua a volumen constante (moviéndonos verticalmente) o al comprimir o expandir agua a temperatura constante (moviéndonos horizontalmente). Encontramos que a volumen constante (moviéndose verticalmente hacia abajo desde 0°C y 1 g/cc), se requieren más de 200 MPa y 20°C de subenfriamiento* para obtener incluso un 50% de aguanieve de agua y hielo.

Alejémonos un poco. De Powell-Palm, "On a temperature-volume phase diagram for water and three-phase invariant reactions in pure substances", encontramos que 209,9 MPa es finalmente necesaria* para la solidificación completa, en una región bifásica (en equilibrio) de ice-Ih (hielo ordinario) y ice-III :

(Obsérvese que "0,00611 MPa" debería decir "0,000611 MPa": los autores se olvidaron 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. A partir del diagrama de fases temperatura-presión del agua, comprobamos que este hielo III se nuclea (en equilibrio) al enfriarse a 251 K, o -22 °C:

Con el enfriamiento posterior, la mezcla hielo-I-ice-III se transforma* en hielo-I- ice-II y luego a ice-IX -ice-II, y luego a ice-XI -ice-IX. (¿Cómo se puede determinar esto, ya que el gráfico de volumen-temperatura no incluye ninguna de esas informaciones? Es a partir de la línea horizontal del gráfico temperatura-presión y del 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 tanto, se requiere una combinación de mayor y menor densidad para mantener constante 1 cc/g, y no podemos movernos ni un ápice por encima o por debajo de esa línea bifásica al enfriar a volumen constante).

Obsérvese que no se puede generar potencia en la condición de volumen constante, ya que no se produce desplazamiento. Y aunque la termodinámica no prohíbe que el sistema se expanda y realice un trabajo útil, habría que calentarlo de nuevo para licuarlo y repetir el proceso, lo que consumiría la energía obtenida.

*Nótese que esta respuesta se refiere siempre a predicciones de fase de equilibrio. Un enfriamiento suficientemente rápido implica limitaciones cinéticas que retrasan o incluso impiden las transiciones de fase. Por ejemplo, el agua líquida puede enfriarse lo suficientemente rápido como para que no se formen cristales, aunque la fuerza termodinámica sea grande. En este caso, se dice que el agua sólida se encuentra en un estado de estado vítreo o amorfo .

(Véase también el divertido diagrama de fases 3D giratorio del agua aquí .)

Answer 2

Sobre la conversión de energía en el proceso:

Si el principio de conservación de la energía es válido, entonces la energía es convertido sólo, en ese sentido la obra realizado por la expansión no puede superar la diferencia de energía que corresponde a la diferencia de temperatura.

Lo mejor que puedes hacer es llegar al 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 así en Islandia).

Así que puedes instalar intercambiadores de calor que alternen entre enfriar algo y volver a calentarlo.

Aunque el ciclo de temperatura sea prácticamente gratuito, no se presta en absoluto a la captación 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 mayor (con la correspondiente fuerza menor) para que una dinamo pueda girar a una velocidad suficiente.

Tal vez lo 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 y poder verter agua en las grietas y, a continuación, retirar la fuente de calor para que la roca-con-agua-en-las-grietas vuelva a estar por debajo de cero.

Eso es probablemente más eficiente energéticamente que utilizar maquinaria pesada.

De hecho, existen productos en el mercado denominados "lechada de demolición".
Se taladra una fila de agujeros, se mezcla la lechada con la cantidad exacta de agua y se rellenan los agujeros con esa mezcla.
La química de la lechada es tal que se une con el agua, y luego sufre una recristalización en una forma que ocupa más volumen.

Answer 3

Las otras respuestas son excelentes para explicar la teoría.

Hay un buen vídeo en Youtube " ¿Se puede impedir que el agua se expanda cuando se congela y se convierte en hielo? " mostrando un experimento práctico tratando de contener el hielo congelado en una tubería de acero, y explicando a continuación las presiones necesarias para contener el hielo congelado.

No tengo reputación para hacer comentarios, por eso he escrito esto como respuesta. Disculpas si esto estaba mal.