¿Las burbujas en el hielo están a una presión menor o mayor que la atmosférica?

Question

Cuando el agua se transforma en hielo, se expande. El agua suele contener aire disuelto. La congelación hace que el aire salga de la solución en forma de burbujas.

¿Están estas burbujas a una presión inferior o superior a la atmosférica?

Puedo ver argumentos en ambos sentidos: cuando una arandela se expande, tanto el radio exterior como el interior aumentan. Esto implicaría que las burbujas están a una presión menor, pero quizás el hielo se expande de forma diferente y aprieta la burbuja y está a una presión mayor. Sin embargo, si fueran exprimidas, esperaría que trataran de expandirse y se propagaran a lo largo de líneas de fracciones débiles en el hielo, y no veo esto: las burbujas suelen ser redondas, lo que sugiere entornos de baja presión.

Editar : Dos artículos sobre el tema, pero ninguno arroja luz directa sobre la respuesta:

• "Bubbles and bubble pressures in Antarctic glacier ice" (A. J. Gow, J. Glaciol. 7 no. 50 (1968), pp. 167-182 ) muestra que las burbujas se reducen al aumentar la presión. Por tanto, se trata presumiblemente de burbujas de alta presión. Sin embargo, la presión interna de las burbujas se debe a la compresión del hielo a medida que se forma más hielo en la parte superior, no sólo al proceso de congelación.

• "Burbujas de aire en el hielo" (A. E. Carte, Proc. Phys. Soc. 77 no. 3 (1961), p. 757 ) habla de la formación de burbujas, pero no de la presión interna de las mismas.

Answer 1

Análisis de inclusión de fluidos Los geólogos utilizan estas técnicas para obtener información sobre las condiciones de presión, volumen y temperatura durante la cristalización del mineral (en este caso, el hielo) que contiene la inclusión.

Hay tres supuestos que se suelen dar en el tratamiento de las inclusiones de fluidos:

- La composición del fluido atrapado no ha cambiado desde la formación de la inclusión

- La densidad del fluido atrapado no ha cambiado desde la formación de la inclusión

- El volumen de la inclusión no ha cambiado desde su formación

Las inclusiones de fluidos naturales contienen múltiples componentes químicos (impurezas) y pueden contener múltiples fases (gas, líquidos, cristales precipitados).

El análisis de las inclusiones de fluidos (por ejemplo, para determinar la presión de formación) implica, por tanto, la medición de la composición y la densidad y, a continuación, la aplicación de los cálculos de la ecuación de estado adecuados para calcular las incógnitas.

Las mediciones y los análisis de inclusión de fluidos no son sencillos de realizar. No creo que se pueda decir si la presión es mayor o menor que la de la formación sin hacer un análisis completo.

El análisis de las burbujas de aire en el hielo es importante para el estudio de la composición pasada de la atmósfera y el cambio climático.

Answer 2

Dado que el aire de las burbujas estaba por debajo de la superficie del agua antes de la congelación, yo esperaría que estuviera por encima de la presión atmosférica, aunque tal vez sólo un poco, dependiendo de la cabeza hidráulica.

Answer 3

Así es como imagino que sucedería, A medida que el hielo comienza a congelarse, primero la superficie exterior y luego la interior, la concentración del aire en el agua aumentaría.

A medida que más y más hielo comienza a congelarse, el agua acabaría saturándose de aire y, por tanto, se vería forzada a partir de una burbuja. El tamaño final de la burbuja es el mismo que el de la cavidad que se crea cuando el agua se congela.

Si tenemos una esfera llena de agua (con aire disuelto), y está congelada, de fuera a dentro, sabemos el tamaño de la cavidad dentro del hielo. También sabemos la cantidad total de aire que puede contener el agua a 0 grados Celsius.

http://www.engineeringtoolbox.com/air-solubility-water-d_639.html ,

Las cifras se pueden calcular de forma más correcta, pero para hacernos una idea, la página web indica que la solubilidad del Oxígeno en el aire es de 14mg/l a cero grados.

14 mg a STP = (14/1000g)/(16 g)*22,4 = 0,0196 litros

el espacio vacío creado cuando el agua se congela es de ~8,3 pc( http://en.wikipedia.org/wiki/Ice ), ~.08 litros de espacio por litro de agua congelada.

Por lo tanto, se puede concluir que la presión en la burbuja de aire es menor. Los números cambiarán si se añade el total de aire disuelto en el agua (la conclusión seguirá siendo probablemente válida. Este cálculo es para una atmósfera de oxígeno a 1 atm)

Ref http://academic.keystone.edu/jskinner/Limnology/Water_Chemistry_LectureNotes.htm

Answer 4

Me encanta esta pregunta, así que quiero añadir mi opinión aquí.

Yo pensaría que la columna de atmósfera sobre el hielo contribuiría con más presión que la presión de expansión sobre una burbuja de aire en un cubo de hielo. Pero no tengo datos sobre esto.

Como sabemos, la disminución de la temperatura hace que algunos moles de aire salgan de la solución en forma de gas. Esto disminuiría el volumen de la solución, excepto que el gas queda atrapado y sigue siendo parte del volumen total. Como el aire ocupa más volumen cuando está en este estado gaseoso, la presión sería de cierta magnitud.

Al mismo tiempo, la estructura cristalina del agua está formando un sistema organizado, lo que aumenta el volumen de la solución a medida que se expande en todas las direcciones, notablemente hacia afuera. El hielo suele congelarse desde el exterior hacia el interior, lo que proporcionaría cierta presión de contención a las burbujas de gas. Sería interesante comparar la presión de las burbujas de aire en el núcleo frente a la de una capa superficial.

Como prueba a nivel del mar, colocaría cámaras de alta definición/magnificación en burbujas de aire en el hielo, rodeándolas con una solución de tinte no polar de baja viscosidad. A continuación, observaría una burbuja cuando su esfera se rompa por primera vez al fundirse. Si hay un chorro de aire de la burbuja, entonces concluimos que la presión de la burbuja de aire es superior a la atmosférica y si se observa que parte del color se precipita dentro de la burbuja de aire -lo que yo sospecharía- entonces podemos concluir que la presión de la burbuja es inferior a la atmosférica.

Curiosamente, la presión de la burbuja podría resultar lo suficientemente cercana a la presión atmosférica como para no notar nada.

Como nota para profundizar en la lectura de una variante de este tema, busque la cristalización de las moléculas en vidrio en un Gota de Príncipe Rupert.

Answer 5

La respuesta para el hielo de los glaciares es diferente a la del agua congelada: el hielo de los glaciares se ha formado mediante procesos diferentes. Aun así, es interesante el argumento expuesto por Pettit et al. (2015) de que las burbujas de los glaciares están a una presión mayor que la atmosférica.

A medida que el hielo fluye hacia el extremo, la presión de la sobrecarga disminuye, el hielo se relaja viscosamente y la presión de los poros se reduce. Sin embargo, una vez que la diferencia de presión entre el espacio de los poros y la red de cristales de hielo es inferior a unos 10 bares, las tensiones desviatorias son insuficientes para permitir una mayor igualación de la presión debido a la reología no lineal del hielo [Gow, 1968]. Por lo tanto, los poros llenos de aire en el hielo glaciar en fusión siempre estarán a una presión superior a la atmosférica. Scholander y Nutt [1960] midieron la presión en los poros de los icebergs del oeste de Groenlandia y descubrieron que suelen estar no sólo entre 5 y 10 bares, sino también hasta 20 bares.

Desde http://dx.doi.org/10.1002/2014GL062950