已有 24899 次阅读 2011-2-13 19:23 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦| 流水, 传热, 结冰, 对流, 相变潜热

关键词：流水，结冰，热导率，对流，传热

昨天李维老师又转了Mirror大侠的帖子“流水不易结冰的思考”【1】，里面简要地讨论了“流水不易结冰”这一现象。我基本赞同，但觉得还有些话没有说透，所以专门写篇博文作点儿进一步的分析，谈谈我对这个现象的认识。

镜大侠认为：“水能否结冻，要看大气的冷却能力与被冷却物体的热容量之间的比较。水一流起来，单位时间内通过单位区域的物质量就多，热容量也就要变大。而这个单位区域里大气的冷却能力却是不变的。因此流水就要比静水难降温，因此也就比静水难结冰。”这个分析基本抓住了问题的关键，但却有点儿概念混淆，水如果上冻结冰，那就要不止要涉及一般意义上的热容量了，还要考虑结冰过程释放的相变潜热（即熔解热）。结冰的过程温度不变，但照样要放热，让水结冰，就必须把这部分热量带走。如果是河流或者湖泊里面的水要结冰，这热量主要是传给上方的冷空气直接带走的。传递的方式有几种：（1）在结冰开始前，水通过直接和冷空气接触换热，这时涉及的热传递既有热传导，还有水汽蒸发带走的热量（汽化热）；（2）通过河边湖畔的土壤等固态物体传导到它们与空气的接触面上再由冷空气带走；（3）已经开始结冰以后，在冰层下与水的界面处释放的相变潜热会通过冰层热传导到上表面（与冷空气的界面），再由空气带走。分析了这些相关的过程以后，我们才好去作关于流水不易结冰的进一步讨论。

镜大侠主要分析了第一种传递方式，原则是基本正确的，虽然这可能还无法完美地解释流水不易结冰的现象，原因很简单，水是流动的不假，但空气通常也是流动，而且流动速度（风速）往往比水流速度更快。如果水不流动，让冷空气流动起来，结冰的速度只会更快而不会更慢，原因是冷空气一旦流动起来，单位时间内带走的热量会更多（所以我们在有风的冬日会感到格外的寒冷）。因为会有更多的冷空气与水面接触，而且流动的空气会降低水面附近的水蒸汽压，加速水的蒸发，带走更多的热量。这时候如果我来个偷换概念、拿相对运动说事儿，对镜大侠恐怕就很不利了（坏笑ing！）。

空气的流动固然会加快结冰速度，而水本身的流动却很可能会减缓结冰速度，还有个可能原因是流动的水可能导致水上下层之间的对流。由于水的密度与温度的关系与其他物质大不相同，它在4°C存在一个密度最大值，这个温度的水是沉在最下面的，这样如果是一潭死水，无法由于温差的原因出现上下层对流了，此时的传热也只能靠热传导来缓慢地进行。可水一旦流动起来，情况就会大不相同了。在很理想的光滑底面的水渠中流动或许可以保持完美的层流状态，一旦水底的某些对流动其阻碍作用的障碍物，水的层流就会被破坏，就可能在一定范围内产生一些漩涡、湍流，而这些漩涡和湍流，就有可能使底部较高温度(最高也就4°C)的水向上流动，而上面较低温度的水向下流动，这样带上来的热量阻碍表层水的降温和结冰。

此外，结冰和其他相变一样，也需要先有个足够大晶核然后再逐渐长大。结冰过程所形成的晶核的密度比水小，只能漂浮在水面上，如果水始终是流动的，晶核与水的界面就不会太稳定而容易受到影响。我们所说的结冰，其实是肉眼能看到的大块的冰，在水保持流动的情况下，水面的浮冰容易因水面的起伏和互相逐渐的碰撞而被破坏，结冰效果自然也就大受影响。

最后，我再解释一下另一篇描述流水不结冰现象的博文【2】中提到的两个现象：

(1)为什么从河岸到河心，冰层厚度从厚到薄？

一般的河流，都是两边浅中间深的，这也就决定了最高温度的水应该在最深的河心下方，而靠近河岸的水浅处水温会比较低，加上散热的途径有水-空气换热和水-岸-空气两个，而且靠岸边可以有更多的凝结核，流速还缓慢，所以自然更容易结冰。相比之下，河心部位的流速更快，传热途径单一而且效率低下，所以不易结冰。其结果就是结冰的过程是从河岸到河心逐渐进行的，越靠河心冰层越薄。

(2)为什么桥墩下不易结冰？

桥墩之所以不易结冰，一个原因在于桥墩扰动了水流，让下层的“高温水”上翻到表层，“加热”了表层的水，破坏了结冰的条件。此外，流动的水在冲刷桥墩时也会有一部分动能转变为热能，同样产生“加热”的效果。

参考：

【1】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

【2】http://blog.sina.com.cn/s/blog_5123553d0100bwu2.html