Hielo

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Bloque de hielo en la playa cerca de Jökulsárlón en Islandia

Hielo es el nombre común que se usa para designar el agua en estado sólido (la palabra " cristal " proviene de la palabra griega que significa "hielo"). Es un sólido cristalino transparente: a presión atmosférica estándar (101325 Pa ), la transición de fase se produce cuando el agua líquida se enfría por debajo de 0 ° C (273,15 K , 32 ° F ).

Descripción

Diagrama de estado del agua. El agua se congela a 0 ° C si está a presión atmosférica , pero a presiones más altas se congela a temperaturas más bajas.

Solidificación

El agua puede permanecer en estado líquido incluso por debajo de 0 ° C debido al fenómeno de sobreenfriamiento (hasta -42 ° C) o con presiones superiores a la normal (hasta -30 ° C); viceversa, el hielo también se puede formar a temperaturas superiores a 0 ° C con presiones más bajas de lo normal. Hay 15 fases sólidas diferentes de agua, pero la más común es I h , que es la única presente en la biosfera , aparte de un pequeño porcentaje de I c que se encuentra en la atmósfera superior. Las diversas fases de hielo que se forman a presiones diferentes a las normales tienen una estructura cristalina diferente a la del hielo ordinario.

El hielo, el agua y el vapor de agua pueden coexistir en el punto triple , que para este sistema se coloca a una temperatura de 273,16 K (0,01 ° C) y a una presión de 611,73 Pa .

Peculiaridades

Una característica inusual del hielo es que el sólido tiene una densidad aproximadamente un 8% menor que la del agua líquida. A 0 ° C y presión atmosférica, el hielo tiene una densidad de 0,917 g / cm³, el agua 0,9998 g / cm³. El agua líquida alcanza su máxima densidad, exactamente 1 g / cm³, a 4 ° C y a partir de este valor se vuelve menos densa mientras la temperatura desciende hacia los 0 ° C cuando sus moléculas comienzan a disponerse en las geometrías hexagonales que darán lugar a la formación de hielo. Esto se debe a los enlaces que se forman entre las moléculas de agua por medio de átomos de hidrógeno , que alinean las moléculas de manera menos eficiente, en términos de volumen, cuando el agua se congela.

Hielo extraído de un congelador a aproximadamente -10 ° C.

Una de las consecuencias es que el hielo flota sobre el agua, factor importante para el clima de la Tierra y esencial para la vida acuática (y para la vida en general) porque, al bloquear los fenómenos de convección , evita que el agua subyacente continúe enfriándose y congelando todo.

Resbaladizo

Un cuerpo que se mueve sobre hielo se mueve "deslizándose", es decir, sin disminuir significativamente su velocidad . Esto se debe al hecho de que un cuerpo que descansa sobre el hielo está sujeto a la fuerza del peso que lo empuja hacia abajo; esta fuerza se manifiesta como una presión que actúa sobre la superficie de contacto entre el cuerpo en cuestión y el hielo subyacente, y provoca un derretimiento parcial del hielo, con la formación de una fina capa de agua que se adhiere al cuerpo y le permite diapositiva.

Gracias a la formación de la capa fina de agua antes mencionada, las dos superficies sólidas (el cuerpo deslizante y la superficie congelada) no están en contacto directo, por lo que el movimiento se ralentiza por la fricción viscosa (que se produce entre el agua y las superficies sólidas). ), que es significativamente menor que la fricción por deslizamiento que se produciría si las superficies sólidas estuvieran en contacto directo.

Además, la presión viene dada por la relación entre la fuerza aplicada y el área de la superficie de contacto (p = F / A), por lo que disminuir el área de la superficie de contacto aumenta la presión y, en consecuencia, el hielo subyacente se derrite más fácilmente., Por lo que la fricción es menor. . Por este motivo, las palas de los patines de hielo deben ser muy finas.

La fricción también genera calor , que contribuye en parte a la formación de la capa de agua.

Finalmente, para deslizarse sobre el hielo, la superficie del hielo debe ser lo suficientemente lisa; esta condición se satisface, por ejemplo, si el hielo se forma por solidificación lenta de una masa de agua.

Sin embargo, la teoría anterior no explica por qué incluso los pequeños objetos ligeros pueden deslizarse sobre el hielo. Por este motivo, esta teoría ha sido reemplazada por otra teoría según la cual la razón principal de la reducción de la fricción está ligada al hecho de que las moléculas cercanas a la superficie tienen una mayor movilidad que las moléculas del grueso (la parte del sólidos suficientemente alejados de las regiones del propio sólido en las que se producen los intercambios de materia, momento y calor, para no percibir los efectos), por lo que permiten el deslizamiento.

Tipos de hielo

El hielo y la nieve con los que tratamos normalmente tienen una estructura cristalina hexagonal llamada hielo I h . Solo ligeramente menos estable (metaestable) que la forma hexagonal es la cúbica ( hielo I c ). Enfriando aún más el hielo I h , se obtiene una configuración diferente en la que se disponen los protones , la fase de hielo XI .

Aprovechando el enfriamiento y la presión, se pueden producir tipos adicionales de hielo, según el diagrama de fase del hielo. Hasta el momento se conocen quince fases diferentes que, además de las ya mencionadas, incluyen II , III , V , VI , VII , VIII , IX y X. Con cuidado, todos estos tipos (excepto la fase X) se pueden volver a poner a temperatura ambiente. Los diversos tipos difieren en su estructura cristalina, orden y densidad.

Dos fases del hielo son metaestables: la IV y la XII . Ice XII fue descubierto en 1996 . En 2006 se descubrieron las fases XIII y XIV . [1] Hielo XI, XIII y XIV son formas ordenadas de hielo I h , V y XII respectivamente. En 2009, se encontró hielo XV a presiones extremadamente altas a una temperatura de -143 ° C. [2] Se cree que a presiones aún más altas, el hielo adquiere una estructura metálica; la presión necesaria se estima en alrededor de 1,55 TPa [3] o 5,62 TPa. [4]

Además de la fase cristalina, el agua solidificada puede existir en estados amorfos : agua sólida amorfa, hielo amorfo de baja densidad, hielo amorfo de alta densidad, hielo amorfo de densidad ultra alta y agua vítrea subenfriada.

La escarcha es una especie de hielo que se forma por congelación (que es precisamente el término técnico para la transición directa del estado gaseoso a un estado sólido) del vapor presente en el aire en contacto con objetos fríos. Contiene una gran parte de aire atrapado, lo que lo hace parecer blanco en lugar de transparente y le da una densidad que es aproximadamente una cuarta parte de la del hielo puro. La escarcha se forma por congelación de las gotas de agua contenidas en la niebla sobre las superficies, cuando la temperatura es inferior a 0 ° C.

El hielo también puede formar carámbanos , de apariencia similar a las estalactitas , a medida que el agua gotea y se vuelve a congelar.

Los clatratos hidratados son formas de hielo que contienen moléculas de gas atrapadas en su estructura cristalina. El hielo en forma de panqueque es una formación de hielo que generalmente se crea en áreas con condiciones menos tranquilas.

Algunas mezclas de hielo y aserrín de madera, llamadas " pykrete ", exhiben una mayor resistencia mecánica que el hielo ordinario.

Algunas otras sustancias (particularmente las formas sólidas de sustancias que generalmente se encuentran en forma de fluidos) también se denominan "hielo": el hielo seco , por ejemplo, es el término comúnmente conocido como dióxido de carbono sólido.

Diagrama de fases del agua: se muestran los campos de existencia de los distintos tipos de hielo.
Fase Características
Hielo amorfo El hielo amorfo es un tipo de hielo sin estructura cristalina. Existe en tres formas: hielo amorfo de baja densidad (LDA), formado a presión atmosférica o por debajo de ella, alta densidad (HDA) y muy alta densidad (VHDA), que se forman a presiones más altas. La LDA se forma mediante un enfriamiento extremadamente rápido de agua líquida ("agua vítrea superenfriada", HGW), al depositar vapor de agua sobre sustratos muy fríos ("agua sólida amorfa", ASW) o al calentar formas de hielo de alta densidad a presión ambiente (LDA ).
Hielo yo h Hielo cristalino hexagonal normal. Prácticamente todo el hielo de la biosfera es hielo I h , con la única excepción de una pequeña cantidad de hielo I c .
Hielo I c Una variante cristalina cúbica metaestable de hielo. Los átomos de oxígeno están dispuestos en una estructura similar a un diamante . Se produce a temperaturas entre 130 y 220 K (-140 y -50 ° C), y puede existir hasta 240 K, [5] [6] cuando se transforma en hielo I h . Ocasionalmente puede estar presente en la atmósfera superior. [7]
Hielo II Forma cristalina romboédrica de estructura muy ordenada. Formado a partir del hielo I h comprimiéndolo a una temperatura de 190-210 K. Cuando se calienta, se transforma en hielo III.
Hielo III Hielo cristalino tetragonal , formado al enfriar agua hasta 250 K a 300 MPa. La menos densa de las fases de alta presión. Más denso que el agua.
Hielo IV Una fase romboédrica metaestable. Puede formarse calentando lentamente hielo amorfo de alta densidad a una presión de 810 MPa. No se forma fácilmente sin un agente nucleante. [8]
Hielo V Una fase cristalina monoclínica . Formado enfriando el agua a 253 K a 500 MPa. La estructura más compleja de todas las fases. [9]
Ice VI Una fase cristalina tetragonal. Formado enfriando el agua a 270 K a 1,1 GPa. Exhibe la relajación de Debye . [10]
Hielo VII Una fase cúbica. Las posiciones de los átomos de hidrógeno están desordenadas. Exhibe la relajación de Debye . Los enlaces de hidrógeno forman dos redes que se interpenetran.
Hielo VIII Una versión más ordenada del hielo VII, donde los átomos de hidrógeno asumen posiciones fijas. Formado a partir del hielo VII, que se enfría por debajo de los 5 ° C (278 K).
Hielo IX Una fase tetragonal. Se forma gradualmente a partir del hielo III al enfriarlo de 208 K a 165 K, estable por debajo de 140 K y a presiones entre 200 MPa y 400 MPa. Tiene una densidad de 1,16 g / cm³, un poco más alta que el hielo y el agua ordinarios.
Hielo X Hielo simétrico con protones ordenados. Se forma alrededor de 70 GPa. [11]
Hielo XI Forma de hielo hexagonal ortorrómbica , en equilibrio a baja temperatura. Es ferroeléctrico . Se considera que Ice XI es la configuración más estable de hielo I h . El proceso de transformación natural es muy lento y se ha encontrado hielo XI en hielo antártico que tiene entre 100 y 10.000 años. Ese estudio indicó que la temperatura por debajo de la cual se forma el hielo XI es de -36 ° C (240 K). [12]
Ice XII Fase cristalina densa, tetragonal, metaestable. Se observa en el espacio de fase del hielo V y el hielo VI. Puede prepararse calentando hielo amorfo de alta densidad 77K hasta aproximadamente 183K a 810 MPa. Tiene una densidad de 1,3 g / cm 3 a 127 K (es decir, aproximadamente 1,3 veces más denso que el agua).
Hielo XIII Una fase cristalina monoclínica. Formado enfriando el agua por debajo de 130 K a 500 MPa. La forma con protones ordenados de hielo V. [13]
Hielo XIV Una fase cristalina ortorrómbica. Tamaño inferior a 118 K a 1,2 GPa. La forma con los protones ordenados del hielo XII. [13]
Hielo XV La forma de protón ordenada del hielo VI se formó al enfriar el agua alrededor de 80-108 K a 1,1 GPa.
Hielo XVI La forma cristalina del agua menos densa, topológicamente equivalente a la estructura vacía de los clatratos hidratados sII.
Hielo XVII [14] Hielo poroso capaz de absorber algunos gases, incluido el hidrógeno, obtenido a alta presión y estable a presión ambiente y a temperaturas inferiores a -153 ° C [14]

Hielo en la tierra

Árboles cubiertos de hielo

Más del 90% de las reservas terrestres de agua dulce están contenidas en el hielo. Consisten en la precipitación de hielo sólido dell ' la atmósfera de la Tierra , como los cristales de hielo obtenidos por la cristalización del vapor de agua sobre los gérmenes cristalinos que se agregan en los municipios de copos de nieve , el granizo por solidificación directa de la nube de gotas de agua, la galaverna , la helada , el gelicidio , el Vetrone y vidriado . El hielo compacto puro de los glaciares y casquetes polares se forma a partir de la nieve mediante el proceso de metamorfismo de los cristales de hielo , mientras que las plataformas de hielo se originan directamente de la solidificación del agua de mar. Todo el hielo terrestre forma la criosfera . La disciplina que estudia el hielo como componente de la corteza terrestre es la glaciología .

Efectos e importancia

El deshielo de los glaciares y la nieve de las montañas alimenta los ríos y lagos aguas abajo. Sin embargo, la mayoría de los glaciares de la Tierra se están retirando. Las superficies heladas blancas de nuestro planeta reflejan el calor solar de regreso al espacio y reducen el efecto invernadero . En casi todos los lugares, los casquetes polares y las plataformas de hielo también se están reduciendo. El aumento de la superficie del océano (tanto en detrimento de los casquetes polares como del aumento del nivel del mar en las zonas ecuatoriales) absorbe más calor solar y contribuye al calentamiento global y al derretimiento del hielo ( retroalimentación ). Además, el derretimiento de los glaciares provoca la exposición al calor solar de las rocas más oscuras de abajo, absorbiendo así más calor y también provocando retroalimentación en este caso.

Relación con los humanos

Cuando el hielo se derrite, absorbe una cantidad de energía (el calor latente de fusión ) igual a la necesaria para elevar la temperatura de una masa equivalente de agua en 80 ° C, mientras que su temperatura permanece constante en 0 ° C. Como resultado, el hielo se ha utilizado durante mucho tiempo como un medio de enfriamiento eficaz. Hasta hace poco, el edificio del Parlamento húngaro utilizaba el hielo recogido en el invierno del lago Balaton como recurso principal para el aire acondicionado. Las neveras se utilizaron para almacenar hielo durante el invierno con el fin de conservar los productos perecederos durante el verano, y los primeros refrigeradores funcionaron con un bloque de hielo almacenado en su interior. Hacer y usar cubitos de hielo o hielo picado es común para enfriar bebidas.

El hombre pudo por primera vez congelar artificialmente una masa de agua y, por lo tanto, producir hielo en ausencia de bajas temperaturas externas, mucho antes de la invención del refrigerador, exactamente en 1775. El escocés William Cullen logró aspirar el aire de un tanque que contenía agua, esto condujo a una disminución de la presión interna lo que provocó que la temperatura de solidificación del agua se elevara hasta superar la temperatura del propio líquido, con la consiguiente solidificación en hielo. [15]

El hielo también juega un papel importante en la recreación invernal, especialmente en deportes como patinaje sobre hielo , hockey sobre hielo , curling y escalada en glaciares .

El hielo también puede ser un obstáculo; para los puertos cercanos a los polos geográficos, estar libre de hielo es una necesidad vital. Algunos ejemplos son Murmansk (Rusia), Pečenga (Rusia, antes Finlandia) y Vardø . Los puertos que no están libres de hielo se abren con rompehielos especiales.

Literatura

Un "ice-nine" ficticio aparece en el cuento corto Ice-nine de Kurt Vonnegut . En realidad, en química, el término hielo IX (y otros números romanos) indica una fase sólida con características específicas, estable solo dentro de un cierto rango de presiones y temperaturas. A diferentes temperaturas y presiones, la fase aún puede existir, pero se vuelve metaestable , es decir, tiende a transformarse espontáneamente en la fase estable, cuanto más rápidamente se desvían las condiciones de su propia zona estable. Por ejemplo, calentando el acero hasta que alcanza la fase austenítica y luego enfriándolo o enfriándolo rápidamente para bloquear la transformación, se obtiene una fase metaestable a presión y temperatura ambiente. Esta fase metaestable es muy resistente y dúctil. En particular, el hielo real IX no tiene las propiedades del Vonnegut Ice-nine imaginario y no es estable a presión y temperatura ambiente.

En la novela Smilla's Sense of Snow, la protagonista, gracias a su profundo conocimiento de los tipos de nieve y hielo, logra resolver un caso de asesinato.

En mayo de 2007, se identificó un exoplaneta formado por agua alrededor de la estrella enana roja GJ 436 . Bajo la superficie gaseosa de este planeta se asume que el hielo debería existir en forma sólida en configuraciones como VIII o X que en la Tierra son reproducibles solo en el laboratorio. [dieciséis]

Nota

  1. ^ CG Salzmann, et al., La preparación y estructuras de las fases de hielo ordenadas por hidrógeno , en Science , vol. 311, n. 5768, 2006, págs. 1758–1761, Bibcode : 2006Sci ... 311.1758S , DOI : 10.1126 / science.1123896 , PMID 16556840 .
  2. ^ Laurua Sanders, A Very Special Snowball , Science News, 11 de septiembre de 2009. Obtenido el 11 de septiembre de 2009 (archivado desde el original el 14 de septiembre de 2009) .
  3. ^ B. Militzer y HF Wilson, Nuevas fases del hielo de agua predichas a presiones Megabar ( PDF ), en Physical Review Letters , vol. 105, 2010, pág. 195701, Código Bibliográfico : 2010PhRvL.105s5701M , DOI : 10.1103 / PhysRevLett.105.195701 , arXiv : 1009.4722 .
  4. ^ JM MacMahon, Estructuras del estado del suelo del hielo a altas presiones ( PDF ), Bibcode : 2011arXiv1106.1941M , DOI : 10.1103 / PhysRevB.84.220104 , arXiv : 1106.1941 .
  5. ^ BJ Murray, Bertram, AK, Formación y estabilidad de hielo cúbico en gotas de agua , en Phys. Chem. Chem. Phys. , vol. 8, no. 1, 2006, págs. 186-192, DOI : 10.1039 / b513480c , PMID 16482260 . Bibcode 2006PCCP .... 8..186M
  6. ^ BJ Murray, La formación mejorada de hielo cúbico en gotas de ácido orgánico acuoso , en Env. Res. Lett. , Vol. 3, no. 2, 2008, pág. 025008, DOI : 10.1088 / 1748-9326 / 3/2/025008 . Bibcode 2008ERL ..... 3b5008M
  7. ^ BJ Murray, et al., La formación de hielo cúbico en condiciones relevantes para la atmósfera de la Tierra , en Nature , vol. 434, n. 7030, 2005, págs. 202-205, DOI : 10.1038 / nature03403 , PMID 15758996 . Bibcode 2005 Nat. 434..202M
  8. Chaplin, Martin, Ice-four structure . Water Structure and Science , 1 de julio de 2007. Consultado el 2 de enero de 2008 .
  9. Chaplin, Martin, Ice-five y ice-trece estructuras . Water Structure and Science , 11 de noviembre de 2007. Consultado el 2 de enero de 2008 .
  10. Chaplin, Martin, Ice-six structure . Water Structure and Science , 11 de noviembre de 2007. Consultado el 2 de enero de 2008 .
  11. ^ Chaplin, Martin, Estructuras de hielo siete y diez de hielo . Water Structure and Science , 26 de octubre de 2007. Consultado el 2 de enero de 2008 .
  12. ^ Chaplin, Martin, Hexagonal ice structure , Water Structure and Science , 11 de noviembre de 2007. Consultado el 2 de enero de 2008 .
  13. a b Chaplin, Martin, Ice-doce y ice-catorce estructuras , en Water Structure and Science , 1 de julio de 2007. Consultado el 2 de enero de 2008 .
  14. ^ a b Hielo "italiano" para el futuro de la energía limpia , en hardware de Tom , 7 de noviembre de 2016. Consultado el 7 de noviembre de 2016 .
  15. ^ Yunus A. Cengel, Introducción a la termodinámica y la transferencia de calor , Serie McGraw-Hill en finanzas, 2007
  16. ^ Descubrió un planeta de "hielo hirviendo" , en lescienze.espresso.repubblica.it , Le Scienze. Consultado el 17 de mayo de 2007 .

Artículos relacionados

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