Vorstbestendigheid / drukkracht van ijs

[Gast3]

Hallo, dit is mijn eerste post hier..
 
Gezien het weer, heb ik deze praktische vragen (als niet-wetenschapper).
 
Intro: Als water van 4 graden C warmer wordt, neemt de dichtheid af, het volume stijgt dus. Als water van 4 graden C kouder wordt, idem dito. Als het onder nul komt (ijs dus) schiet het volume ineens 9 procent omhoog. Verder naar beneden neemt het volume van het ijs weer af, net zoals bij de meeste andere stoffen.
 
Wat ik graag wil weten is:
 
Hoeveel kracht deze 9 procent heeft, is dit evenredig met het volume van het ijs?
 
Is het juist het dat eenmaal bevroren, nog kouder dus in principe beter is (afname volume)?
 
Hoe is e.e.a. te berekenen?

[ArcherBarry]

Wanneer ijs vormt in een gesloten ruimte, dan is de kracht die het uitoefent letterlijk enorm te noemen. De onderstaande rots is gebroken puur doordat door (haar)scheurtjes naar binnen gesijpeld water is bevroren en uitgezet.
 
Hoe het een en ander berekend kan worden weet ik helaas niet.
 

[Benm]

Een eigenschap die je kunt gebruiken om eraan te rekenen is 'compressibility', die weergeeft hoe veel je iets kunt samendrukken onder een gegeven druk (getal in 1/pascal). 
 
In geval van bevriezend water moet je een druk op het ijs zetten zodanig groot dat het pakweg 9% samendrukt, vrijwel onmogelijk.
 
Praktisch gevolg is normaliter dat ofwel de container breekt, ofwel het water vloeibaar blijft onder de gegeven druk (het smeltpunt van water neemt af met stijgende druk). 
 
Zou je vast ijs 9% willen comprimeren moet de denken aan een druk in de orde van minstens 10.000 bar (er vermoeiddelijk nog een orde of wat meer) waarbij je afwijkende kristalstructuren krijgt. Dit gaat met handzame middelen nooit gebeuren, als je bijvoorbeeld een dikke stevige cylinder geheel vult met water en dan bevriest scheurt die cylinder, of rekt deze op als de wanden dik genoeg zijn (een ml water in een stalen bal van 10 cm diameter oid). 

[Gast3]

Okee. Dus als je een hele stevige ton/melktank hebt (dikwandig staal), dan gaat het toch nog mis? Ook als deze open is van boven, waardoor het ijs naar boven kan?
 
Zijn alle dingen die als vorstbestendig bestempeld worden, van plastic dat uit kan zetten?

[Benm]

Als iets open is komt het ijs er meestal uit, tenzij het door de vorm vast vriest en daarmee de uitgang blokkeert. Als je een melkbus vol water in de vorst laat staan kan dit door de vorm best gebeuren, terwijl het met een zuivere cylinder minder waarschijnlijk is. 
 
Wat noemt men vorstbestendig?

[mhgroenendaal]

Evenzogoed een lekenvraag:
Kan de kracht van uitzetting bij vorming
van water naar ijs gebruikt worden?
Kan er bv een zuiger mee in beweging
worden gebracht die iets aandrijft?
Een enorme versnellingsbak bijvoorbeeld.
Kan er zo energie mee opgewekt worden?

[mhgroenendaal]

. In 1784 en 1785 profiteerde een majoor Edward Williams van het weer in Quebec en probeerde herhaaldelijk een methode te vinden om ijs te bevatten. Williams probeerde aanvankelijk het water in artilleriegranaten af ​​te dichten, waarvan de gietijzeren pluggen 475 voet op een verbazingwekkende 20 voet per seconde werden gelanceerd als de druk te groot werd.

[HansH]

Evenzogoed een lekenvraag:
Kan de kracht van uitzetting bij vorming
van water naar ijs gebruikt worden?
Kan er bv een zuiger mee in beweging
worden gebracht die iets aandrijft?
Een enorme versnellingsbak bijvoorbeeld.
Kan er zo energie mee opgewekt worden?

als ijs 9% uitzet en je hebt zulke enorme krachten nodig om dat te voorkomen dan kun je dus ook het ijs zo'n enorme kracht laten leveren in de richting van de uitzetting. en dat betekent dus dat het ijs dan arbeid verricht, dus ja. aan de andere kant van het proces onttrek je energie aan het ijs om het te laten bevriezen. dat is de 334kJ/kg ijs smeltwarmte. als jet het ijs energie laat leveren dan zal de smeltwarmte dus minder moeten worden omdat je dan via die zelfde weg dezelfde energie zult moeten toevoeren. dus je kunt dan volgens mij nooit meer dan 334kJ/kg ijs aan energie leveren. In dat geval zal het ijs dan niet kunnen bevriezen.

[HansH]

als je dat uitrekent met de formule voor de geleverde energie: W=F x s en je neemt even voor het gemak 1 liter water in een buis van 1cm2 dan heb je een lengte van 10 meter water wat 10.9 meter ijs wordt. F/W/s=334kJ/0.9m=371kN. omgerekend naar druk kom ik dan op een maximale druk van 37830 BAR. dan is alle smeltwarmte gecompenseerd door energietoevoer om arbeid te leveren.

[Xilvo]

als jet het ijs energie laat leveren dan zal de smeltwarmte dus minder moeten worden omdat je dan via die zelfde weg dezelfde energie zult moeten toevoeren. dus je kunt dan volgens mij nooit meer dan 334kJ/kg ijs aan energie leveren. In dat geval zal het ijs dan niet kunnen bevriezen.

Als de druk toeneemt daalt de smelttemperatuur (bij 2000 bar al tot -20 °C) en dan neemt de smeltwarmte af.
Uit dat verschil zal de geleverde mechanische energie moeten komen.

[Xilvo]

Kan de kracht van uitzetting bij vorming
van water naar ijs gebruikt worden?
Kan er bv een zuiger mee in beweging
worden gebracht die iets aandrijft?

Ja, dat is mogelijk. Lastig is dat vaste stoffen zich niet naar de vorm van de ruimte schikken zoals vloeistoffen en gassen.

Kan er zo energie mee opgewekt worden?

Opwekken is niet het juiste woord, het is natuurlijk altijd omzetten van energie.

[irArjan]

HIer was toevallig laatst een goede uitleg over van Minutephysics (Engels):