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也说流水不易冰 精选

已有 6815 次阅读 2011-2-15 01:33 |个人分类:消防以外|系统分类:科普集锦| Science

也说流水不易冰

    昨天网上讨论流水不易冰的问题,发现李维老师和吕喆老师的说法都有弱点,然后顺势研究过去,发现原来的问题是为何大桥下面不结冰,结果很多人都用流水不易冰来解释,这样的解释看上去简单,大体不错,但却没有答到点子上,这里也来说一说流水不易冰的问题,主要是回答大桥不冰的问题。

    所有的解释,都没有抓住换热的主要条件是辐射换热损失。我们感受到空气很冷,以为空气温度低,这是一种感觉上的误解,空气的温度不会低于大地的温度,空气让人感到冷,那是流速带来的对流损失,让人感到冷,这种冷是不易用温度计测量的,只是一种心理上的冷。如果拿空气对流来解释结冰问题,就出现了抓次要矛盾,忽视主要矛盾的问题,这是本文需要特别指出的。

    为什么会结冰?因为地球上的物体向宇宙辐射,导致辐射热损失很高,所以才会结冰。辐射换热是温度的4次方,因此换热系数(或温度梯度)是温度的3次方,这是导致辐射换热占主要地位的关键。地表水源会结冰,因为宇宙的背景温度只有35K-270C),而地表结冰温度在273K 这种大温差的辐射换热损失,是结冰的关键。

    为何流水不易冰?李维老师的解释更接近真相一点,就是流水带来更大的热量,可以抗拒散热损失。水的热容量本来就很大,流水因为是传质,可以更好地对抗辐射换热的损失。

    为何桥墩不易冰?吕喆老师的解释更合理一点,就是桥墩带来扰动,导致上下对流,相当于用传质克服了传热的损失。

    为何河中心冰薄而岸边冰厚?因为流动边界层问题,由于边界层的存在,水流速度变缓,导致传质换热不足以克服辐射热损失,所以岸边的冰厚,而中心的冰薄。

    为何桥下不易冰?因为辐射换热的效果,除了温差以外,关键是视角问题(View Angle)。如果桥面低,对于水面来说,就是辐射换热的障碍视角大,辐射损失低。如果桥面高,对于水面来说,就是障碍视角小,导致桥面对于辐射的影响小,几乎可以不计。对比以下两幅图,就是同一时间段,同一作者在同一河面拍摄的不同桥高带来的不同结冰效果,可以看出桥高对于辐射换热的影响。这里流水的速度几乎为零(其他地段都结冰了),可以忽略。

 
1,低桥墩的辐射保护作用,注意两岸壁面的辐射保护作用也超过下图.

图2,二环立交桥的高度导致其辐射保护作用很小,所以结冰了。

     最后,还有一个附加的问题,为何热水结冰快?标准答案(美国化学教育杂志上发表的专业解释)是热水的分子运动速度快,在一定的温差下,热水内部的换热速度比冷水快,冷水的壁面开始结冰时,会妨害热量的继续传递。因此在相同条件下,热水结冰快。

     有道是,常识不究未必确,流水传质胜传热,感觉很冷未必低,热水温高结冰快。

 

参考博文:

1.     吕喆:流水为何不易结冰?http://bbs.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=111635

2.     李维:流水不易结冰的思考 http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=362400&do=blog&id=412328

3.     智俊启:为什么不冻冰http://blog.sina.com.cn/s/blog_5123553d0100bwu2.html

4.     麻庭光:银烛秋光冷画屏 http://bbs.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=302992&do=blog&id=325192

 



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