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王朝百科·作者佚名  2009-10-24
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冰(ice)(to put on ice)

自然界中的水,具有气态、固态和液态三种状态。液态的我们称之为水,气态的水叫水汽,固态的水称为冰。冰的熔化热是3.35×10^5J/kg

冰的性质

冰是无色透明的固体,晶格结构一般为六方体,但因应不同压力可以有其他晶格结构。在常压环境下,冰的熔点为0℃。

0℃水冻结成冰时,体积会增大约1/9。据观测,封闭条件下水冻结时,体积增加所产生的压力可达2500大气压。

冰的熔点与压力存在着一种奇妙的关系:在2200大气压以下,冰的熔点随压力的增大而降低,大约每升高130个大气压降低1摄氏度;超过2200大气压后,冰的熔点随压力增加而升高:3530大气压下冰的熔点为-17℃,6380大气压下为 0℃,16500大气压下为 60℃,而20670大气压下冰在76℃时才熔化,称为名副其实的“热冰”。冰在0℃下密度为0.917 g/cm³,而水的密度正常为1.00g/cm³,所以冰会浮于水上。

特殊的冰

热冰:除了前面提到高压下形成的热冰之外,重水(D2O)在3.8℃时结冰,成为另一种形式的“热冰”。

一般被称为干冰的物质实际是二氧化碳的固体状态,与水没有关系。

水是一种特殊的液体。它在4℃时密度最大。温度在4℃以上,液态水遵守一般热胀冷缩规律。4℃以下,原来水中呈线形分布的缩合分子中,出现一种像冰晶结构一样的似冰缔合分子,叫做"假冰晶体"。因为冰的密度比水小,“假冰晶体”的存在,降低了水的密度,这就是为什么水在4℃时密度最大,低于4℃密度又要减小的秘密。

到目前为止,已经能够在实验室里制造出八种冰的晶体。但只有天然冰能在自然条件下存在,其它都是高压冰,在自然界不能稳定存在。

天然冰中水分子的缔合是按六方晶系的规则排列起来的。所谓结晶格子,最简单的例子是紧密地堆砌的砖块,如果在这些砖块的中心处代之以一个假设的原子,便得到了一个结晶格子。冰的晶格为一个带顶锥的三棱柱体,六个角上的氧原子分别为相邻六个晶胞所共有。三个棱上氧原子各为三个相邻晶胞所共有,二个轴顶氧原子各为二个晶胞所共有,只有中央一个氧原子算是该晶胞所独有。

冰与水

冰的分子模型

由于水分子间有氢键缔合这样的特殊结构所决定的。根据近代X射线的研究,证明了冰具有四面体的晶体结构。这个四面体是通过氢键形成的,是一个敞开式的松弛结构,因为五个水分子不能把全部四面体的体积占完,在冰中氢键把这些四面体联系起来,成为一个整体。这种通过氢键形成的定向有序排列,空间利用率较小,约占34%、因此冰的密度较小,约为摄氏4度是液态水的9/10。

水溶解时拆散了大量的氢键,使整体化为四面体集团和零星的较小的“水分子集团”(即由氢键缔合形成的一些缔合分子),故液态水已经不象冰那样完全是有序排列了,而是有一定程度的无序排列,即水分子间的距离不象冰中那样固定,H2O分子可以由一个四面体的微晶进入另一微晶中去。这样分子间的空隙减少,密度相对冰就增大了。

温度升高时,水分子的四面体集团不断被破坏,分子无序排列增多,使密度增大。但同时,分子间的热运动也增加了分子间的距离,使密度又减小。这两个矛盾的因素在4℃时达到平衡,因此,在4℃时水的密度最大。过了4℃后,分子的热运动使分子间的距离增大的因素,就占优势了,水的密度又开始减小。

河冰黄河流域是中华民族的摇篮,孕育了华夏五千年的文明。但是黄河带给我们中华民族的不全是好处,黄河洪水和冰害经常掠去两岸人民的财产和生命。

远在公元前四百多年,对于黄河的冰情,已有详细的记载:“孟冬之月,水始冰,地始冻。仲冬之月,冰益坚,地始坼。季冬之月,冻方盛,水泽腹坚,命取冰,冰以入。孟春之月,东风解冻,蛰虫始振,鱼上冰。”这是世界上最早的有关结冰、封冻和解冻的冰情文字记录。

冰情观测对冬季河流冻结作冰情观测,是水文工作者的日常工作。河水在冻结过程中会出现多种多样特殊的冰情,记载并研究这些冰情,对于防治河冰灾害有重要意义。一条河流,从开始结冰,河面封冻,一直到解冻,有哪些主要的冰情呢?

冰凇——漂浮在水中的针状或薄片状透明的冰晶,在水面或水中形成。冰晶多半聚集成松散易碎的团块。

棉冰——落在水面的雪聚集而成,好像浸湿了的棉花,一点点或一片片漂浮着。

岸冰——河流两岸冻结成的固定冰带,分为初生岸冰,固定岸冰和冲积岸冰三种。

水内冰——水中生长的冰,可以在水面、水中和水底同时生成,是一种海绵状或饭团状多孔而不透明的冰体,有些近似于浸透了水的雪。

冰花——浮在水面的水内冰。

冰礁——固结在河底的小冰岛,由水内冰堆积,或者与棉冰,冰凇和冰花等结合而形成,能迅速地从河底增长到水面。水内的冰礁不结实,长到水面后就冻结得很紧密。

流冰——河中漂流着的冰块,春季流冰对水上建筑物威胁很大。

冰坝——流冰在河道狭窄或浅滩处堆积起来,阻塞住整个河流断面,象一座用冰块堆成的堤坝。冰坝往往使河流发生严重阻水,抬高水位,对河堤造成威胁。

冰堆——由冰挤压而冻结在一起的冰块,有时分布在冰层表面,有时出现在岸边。

冰裂——气温和水位的剧烈变化,使冰盖上出现的裂隙。

冰塞——封冻冰层下面的河道,被冰花和碎冰临时阻塞。冰塞缩小了河流过水断面,使上游水位被迫提高,甚至高于洪水位,也会造成严重事故。

清沟——冻结的河道中的一段没有冻结的河段。清沟是由于暖的地下水或污水排人、或急流处不易封冻而形成的。小的清沟好像裸露的洞穴,所以也称为冰穴。清沟下能生成大量的水内冰。

冰丘(冰锥)——封冻冰层中发生裂缝,河水从缝中冒出来冻结而成。冰丘的冰也叫冒水冰。

连底冻——河流断面全部冻缩。

冰层浮起——岸边融冰或水位暴涨时,封冻冰层不碎裂而浮于水面。

冰滑动——封冻河流开河前冰层向下游滑动-段距离后又停滞下来,往往给河床堤岸以很大的破坏。

冰凌堆积——春季淌凌时河道断面被冰凌局部阻塞。冰凌堆积严重,往往形成冰坝,对河堤有相当危害。

根据一条河流的冰情观测资料,就能够绘制出该河的冰情图来,这是河流水文的基本资料之一。

河水是怎样结冰的?我们在课本上学到,当1个标准大气压时温度降到0℃时水就会变成冰。但实际情况并非如此简单。一方面自然界中的水不是纯净的水,里面溶解了很多物质,水的凝固点降低,水需在0℃以下才能冻结;另一方面,当温度刚好由零度以上降到0℃时,水是不会结冻的,因为结冰时放出的潜热很大,如果正好是冰点,刚生成的冰晶又会很快融化掉。所以,一般温度在零度以下河水才出现冻结现象。另外,当温度降到0摄氏度以下时水有可能还是不能结成冰,这时成为“过冷水”。

静水结冰需要较甚的过冷,实验室里曾经记录到蒸馏水过冷到-20℃还不见冰晶出现的数据。一般静水冷却到4℃后,水面继续降温,仅能使表层发生冷却,底层在较长时间里还是维持在4℃的温度,所以静水冻结是从水面开始的。

初冬时节河流淌凌是河流开始结冰的最初阶段。河水是汹涌流动的,流水结冰过程与静水很不相同。流水由于处在流动状态,紊流扰动强,不仅表层冷却迅速,就是底层也同时降温,水面和水内几乎可以同时结冰。大多数研究者认为,河流结冰是同时在水面和水中发生的。理由是河流混合作用强,在结冰前河水上下都能达到大体相同的温度,只要有结晶核,就可以在任何地方开始结冰。底冰的存在证明了这种理论的可能性。

河流封冻有二种情况。一种是从岸边开始,先结成岸冰,向河心发展,逐渐汇合成冰桥,冰桥宽度扩展,使整个河面全被封冻。还有一种是流冰在河流狭窄或浅滩处形成冰坝后,冰块相互之间和冰块与河岸之间迅速冻结起来,并逆流向上扩展,使整个河面封冻。

冰凌——河流解冻

当大地回春,气温升高的时候,河流里的冰开始化解,分解的冰块随着河水向下流动,河流解冻开封。但是并不是所有的河冰都这样斯斯文文地解冻,让河流顺利开河,有时候解冻来得很快,特别是气温急剧上升或水位暴涨,大块冰凌汹涌而下,这样就容易造成冰凌。科学家们给这两种河流开河方式起了很有趣的名字,对于慢慢解冻的开河方式叫“文开”河,对于迅速解冻容易引起冰凌的开河方式叫“武开”河。

由南向北的河流特别容易发生武开河。当上游已是春光明媚,下游还是冰封千里的时候,融水带着冰凌顺流而下,时而阻塞,水位抬高,时而溃决,横冲直撞,使下游冰层遽然胀破,于是形成巨大的冰排,向下猛冲,对桥梁、堤坝危害严重。冰凌对桥墩威胁最大。春季淌凌时出现大冰排威胁桥墩时,需要用飞机或其它措施把冰排炸碎。

由冰凌壅塞引起的暂时涨水,叫做凌汛。黄河上游从宁夏到内蒙的河套段和下游在山东入海的地方,由于河段北流,经常出现凌汛。凌汛期间易出险情,一是凌汛来势猛烈,二是地冻未消,取土抢险困难。据统计,解放前,黄河改道后的百余年间,仅山东境内因凌汛决口就有35次之多,给沿岸人民造成很大的损失和痛苦。

一(bīng,音兵)

①水冻结后形成的固体。《灵枢·邪气脏腑病形》:“天寒则裂地凌水。”

②结冰。《素问·四气调神大论》:“冬三月,此谓闭藏,水冰地坼。”

二(níng,音凝)“凝”的本字。《素问·诊要经终论》:“九月十月,阴气始凝,地气始闭。”

冰的形成自然界中的水 ,具有气态、固态和液态三种状态。液态的我们称之为水,气态的水叫水汽,固态的水称为冰。冰的熔化热是3.35×10^5J/kg

水是一种特殊的液体。它在4℃时密度最大。温度在4℃以上,液态水遵守一般热胀冷缩规律。4℃以下,原来水中呈线形分布的缩合分子中,出现一种象冰晶结构一样的似冰缔合分子,叫做"假冰晶体"。因为冰的密度比水小,“假冰晶体”的存在,降低了水的密度,这就是为什么水在4℃时密度最大,低于4℃密度又要减小的秘密。

到目前为止,已经能够在实验室里制造出八种冰的晶体。但只有天然冰能在自然条件下存在,其它都是高压冰,在自然界不易存在。

天然冰中水分子的缔合是按六方晶系的规则排列起来的。所谓结晶格子,最简单的例子是紧密地堆砌的砖块,如果在这些砖块的中心处代之以一个假设的原子,便得到了一个结晶格子。冰的晶格为一个带顶锥的三棱柱体,六个角上的氧原子分别为相邻六个晶胞所共有。三个棱上氧原子各为三个相邻晶胞所共有,二个轴顶氧原子各为二个晶胞所共有,只有中央一个氧原子算是该晶胞所独有。

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王朝中能搜索到冰

 
 
 
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