Thermalphysical在冻融过程

在地面1.1传热和温度场

的温度制度的上部岩石圈的热与环境相互作用的结果(大气、空间等)和底层的地层。到达地球的热量从大气中(主要是来自太阳)大约是三个数量级大于来自内部。的传热过程在地面收益一般通过辐射、对流和传导。

热辐射是排放的过程电磁波(辐射能)激烈的身体到环境中。相对应的波长发射的最高价值绝对黑体与绝对温度成反比。的部分热转移通过在地面辐射通常由不到几个百分点的总热通量的价值。

qcon,通过对流传热是由液体和气体流经毛孔,蛀牙,在岩石裂缝,部分热量被转移的过程中,土壤中水分的迁移(扩散)通常是小而被传导转移。迫使水和气体的对流(渗透)指责困难或粗碎屑岩和金沙对流传热机制中起着重要作用的忽视这种机制可能会导致温度场分析的基本错误。帐户的热通量对流组件通过有效导热系数Xe(覆盖总传热,包括对流和传导或通过热通量密度的直接计算q相关联,例如,与水或孔隙溶液的渗透:qcon = yw /费尔大众yw在哪里水的密度;大众是它的过滤速度和/费尔具体相对热量渗透水的内容(解决方案)。

最主要的和最基本的机制在地面传导传热。热量是通过介质的原子和分子的振动晶格,它的强度随着温度增加。这热传递发生由于材料的导热系数。从数学的角度固定导电的过程传热是描述由傅立叶定律:Qcood =研究生t,其中Qcood是导电组件的热通量密度;X是介质的导热系数,数值等于热能通过单位面积单位时间和单位温度梯度。

主要参数描述岩石的热态温度。其分布在地上称为温度场。一般地面温度变化从一个点到另一个时间,即温度场由三维描述非平稳函数t (x, y, z, t)在自然温度场往往存在明显差异的两个甚至一个空间坐标,同时几乎不变。符合这一点,这个词'二维f (x, y, t)”或“一维t (x, t)的温度场通常使用。以图形方式显示温度场等温线(行或表面)连接温度相等的值(图。1。1)。如果温度场不随时间在任何时候这个领域称为固定(见图1.1);否则它是作为非平稳特征(见图1.1 b)。傅里叶热传导方程补充适当的边界条件(初始)是用来描述非平稳过程的传导传热数学和计算时间和空间的温度分布。对于一维温度场需要的形式:

/ (z)的强度分布热源或下沉;Cvol (z)的系数热容量的媒介,也就是数字所需的热能加热单位体积的物质1°C。在最简单的情况下当介质常数热物特点及热源时缺席(= const, Cvol = const, / (z) = 0)非平稳热传导方程的形式:

图1.1。温度场的图形表示的例子:——二维静止;b -一维非平稳。0°C等温线是解冻和冻土之间的界限。

一个= / Cvol哪里热扩散率作为一个索引的热惰性的媒介。

温度场的变化在时间上可能相当不同的(从单调到痉挛性)在非平稳的情况下热政权。字段的周期稳态代表最重要的案件在自然条件下不稳定的温度场。他们的特点是,初始温度分布的影响在中几乎失去了重复表面温度波动。这个分布是如此说的抹去记忆的媒介,可以忽略一些即时的时间开始。正是这种即时点定期稳定政权的过程。

最简单同时在自然界中最普遍的周期性固定政权是每日的正弦波,常年气温波动和相同的正弦波和年度计划(谐波)造成的温度波动在地上。在这种情况下,我们会说通过地面温度波的传播。我们可以通过简单的正式代表这些温度的变化关系:

2. n tc

f (0, q)是在地面的温度变化;A0是物理这个温度的波动幅度(等于一半的气象),在年度(或每日或多年生)周期;ean的年平均(平均每日或意味着常年)周围的地面温度的波动和周期T收益。因此,表面温度波动是唯一由三个值:ean、A0和T。

很明显,实际温度在自然条件下,例如每年的温度模式表面上,本质上的不同的正弦因为有不规则和冷却温度变化的一般背景也在一年(图1.2)。但是如果温度平均在十天时间内,特别是在一段几个月温度曲线将越来越近似正弦形式。曲线在一般情况下总是可以纳入“理想”(完美)正弦形式通过实验测定和S2的地区位于零轴之间的温度与实际温度变化曲线的周期T等于一年。这种“理想”的正弦波的主要参数,即年平均地表温度f°ean和物理温度波动幅度A0可以在这种情况下计算以下列方式:

_如果阿~ S2 ^圣+ S2 n

表面温度波动f (0, x)导致地面温度波动t (z, q),表面上形成的温度波传播到地面的令人兴奋的一个类似的波在地下。同时当移动下行波满足热阻(价值被热导率的值成反比,X)以及缴费的权力与热相关的过程能力,Cvol的媒介。因此,波阻尼与深度,A0逐渐减少。的最大深度渗透到vt°c vt°c

图1.2。谐波表面温度波动和在底层地面:a -温度观测表面上减少了理想的正弦波动;b -温度波在地下传播:-波动的振幅;< 5 -波动圣的时移和S2 -温度、degree-hours,在温暖和寒冷时期,分别。

图1.2。谐波表面温度波动和在底层地面:a -温度观测表面上减少了理想的正弦波动;b -温度波在地下传播:-波动的振幅;< 5 -波动圣的时移和S2 -温度、degree-hours,在温暖和寒冷时期,分别。

地面的表面温度波(多年生、年度和日常)称为温度波动的传播深度或零的深度(多年生、年度或日常)温度振幅。由这些值分隔开的近地表的地面层的深度称为常年(n年),分别每年或日常温度波动。

通过媒体没有相变温度波的传播是由傅里叶描述法,遵循从解决所谓的傅里叶的温度波的传播问题,通过均匀介质半空间无限的相变。数学公式的问题如下:

的意思是

初始条件是缺席的配方问题,因为它假定传热的过程已经在稳定的周期性的政权。这个问题的解决方案如下功能:

这个函数在任何深度决定了地面温度的值在任何即时的时间x z和相应的地面温度的变化。它完全描述稳态周期温度场在地面形成正弦波表面温度波动的结果。这个解决方案的基础上,我们可以得出这样的结论:在同一平均温度波动我°ean和同期T表面上也成立于地面(见图1.2 b)。给出的解决方案使我们的更复杂的治疗状态以下关系称为傅立叶定律的基本传播过程的温度波在地上。

傅里叶第一定律指出,温度波动的振幅随深度指数降低:

这种关系可以看出,温度波动的衰减率随深度取决于介质的属性:导热越高(越低其热阻)和较低的热容,慢是阻尼和穿透深度的温度波动越大(其他条件相同)。

曲线边界的最大和最小值正弦波温度波动在每个特定深度的阻尼指数曲线定义的特征温度波动的振幅随深度(图1.3)。换句话说,傅立叶的问题的解决方案通过均匀介质温度波的传播表明,所有可能的温度变化

图1.3。自然温度波动随深度的衰减。1 -温度波动的信封;2 -表面温度波动和6 - 12米的深度;3 - 4,波动的振幅和时间轴的深度0,6 - 12米;m是季节性地面解冻的深度;h是一年一度的深度传播温度。

图1.3。自然温度波动随深度的衰减。1 -温度波动的信封;2 -表面温度波动和6 - 12米的深度;3 - 4,波动的振幅和时间轴的深度0,6 - 12米;m是季节性地面解冻的深度;h是一年一度的深度传播温度。

深度为每个特定的深度仅限于特定的边界。这些边界的指数曲线r°ean +一个z (z)的变化范围从0到0年度振幅的深度。因此,如果实际数据对温度测量孔在一年进入在一个图(图1.4),同步温度曲线会这么说“填满”的指数曲线包围的面积。显示温度变化与深度geocryologists经常使用这些信封没有呈现的特定温度曲线的特定的即时时间(见图1.3)。

傅里叶第二定律指出,温度波动在地面进行相移与深度成正比(见图1.2 b)。时间延迟的波动可以由以下公式计算:

相移随深度的波动发生的后果

图1.4。地面温度的变化的性质(钻孔)不同时刻的时间:1-13 -温度曲线(1 - 30 / IX, 2 - 15 / X 3 - 24 / XI, 4 - 17 /十二5 - 20/1,63/11,7 - 20/11,8 - 24/111,9 - 26 / IV, 10 - 2 / VI, 11 - 26 / VI, 12 - 27 /七世,13 - 29 /八世;雷竞技csgo14 -曲线的信封。参见图1.3。

图1.4。地面温度的变化的性质(钻孔)不同时刻的时间:1-13 -温度曲线(1 - 30 / IX, 2 - 15 / X 3 - 24 / XI, 4 - 17 /十二5 - 20/1,63/11,7 - 20/11,8 - 24/111,9 - 26 / IV, 10 - 2 / VI, 11 - 26 / VI, 12 - 27 /七世,13 - 29 /八世;雷竞技csgo14 -曲线的信封。参见图1.3。

波的传播速度的限制。这velocity depends on the thermal-physical properties of the ground and on the period of the fluctuations; therefore it is constant with depth and with time for homogeneous ground. In line with this law of Fourier, the minimal winter temperatures at some depth z, for example, will be observed not at the moment of their occurrence on the surface but after the time necessary for the wave to reach this depth z. Therefore under natural conditions the following pattern is observed: when, for example, a period of cooling or warming begins in the near-surface portion of the ground the period of warming (or cooling, respectively) is still in progress in the middle part of the layer of the annual temperature fluctuation, while the period of cooling (or warming) of the previous temperature wave is observed in the lower portion of the layer (see Fig. 1.4, curves 8 and 10).

傅里叶第三定律涉及的深度的温度波动h表面温度波的周期和振幅:

从这个关系的深度的波动证明增加更大的振幅A0和波动周期t的最大穿透深度的温度波动(阻尼)是这样的一个深度的振幅啊就小于0.1°C,即价值相当于在自然条件下进行温度测量的准确性。替换的值啊= 0.1°C和各种数值波动的周期T成表达式(1.8)我们可以表明,较大的波动时期最伟大的深度渗透,虽然短周期波动是阻尼在地表附近,其他条件不变。实际上,计算和自然观察显示,每日温度波动可以穿透深度1 - 2 m,年度波动15 - 25米,150 - 200年和300年的波动和深入。根据傅里叶第三定律,给出两种波动的不平等时期7 \和T2 (7 \¥iT2),相同的深度zx和z2阻尼波动发生的连接由以下关系:

因此,给定两个地面的温度波动周期1年和100年,如果众所周知,一年一度的振幅降低的10倍在10米的深度,它遵循类似的阻尼表达式(1.9)的振幅(10倍)100年的波动将会发生在100米的深度。

总的来说,由于一个事实,即周期性(谐波)温度波动(温度波)在近地表观察地面,年度(每日或多年生)时期的地面温度变化分为两个部分:半周期的加热和冷却的半周期。到达地面的热量半周期的加热和即将离任的半周期冷却通常称为地面热营业额geocryology。周期性的温度稳定政权的热营业额为每个half-periods标志在大小相等,但方向相反。是显示Y.A. Kudryavtsev(17),当热传播通过干燥均匀土壤,没有相变热营业额的表达式通过的地面层z的形式:

应该强调,所有上述原则形成的温度场在地面不考虑水分相变的效果和水平的存在以及某些垂直热通量。因此,例如,当地热的存在流量q是考虑地面的年平均温度的深度层内年度温度波动我不是恒定的,而是按照增加地温梯度g,即:

地温梯度(g = q / X)所显示的,对于一个给定的位置,多少度温度变化与深度的变化一个单位长度。地温梯度的倒数称为地热的深度。它显示在什么距离沿着垂直地面温度变化1°C。地热的深度通常被认为是大陆内平均33米,当进行近似计算。

除了垂直从地球内部的热通量和相关的地热的上部岩石圈温度梯度,也有横向热通量,因此横向温度梯度。极高水平温度梯度岩石中观察到边界地形元素之间有不同的取向相对于太阳,更高或更低程度的斜率和含水量,陆地和海洋和湖泊流域之间以及大型河道。换句话说,往往存在两个而不是一维,三维温度场。

的原则形成温度场更复杂的在潮湿的土壤和地面系统时温度通过0°C。这是与事实相关的过程水冻结或冰融化(水相变)都伴随着释放或吸收大量的热,温度模式从根本上改变。本质上不仅仅是一个过程的冷却或加热地面在这种情况下,但更复杂的过程称为冻结的过程或潮湿的地面解冻。一个应该考虑的本质在潮湿土壤水分相变系统正确地理解和分析这一过程。

1.2(结晶)的水冻结和融化的冰在地上

潮湿的土壤中极其复杂的成分、结构、性质和其组件之间的交互和阶段当温度通过0°C。自然水域都有效的解决方案,即由水分子绑定到变量的程度由溶质离子。在土壤这个绑定伴随着水的离子与矿物粒子的活性表面的交互(吸附水)。因此,当研究的结构和相变束缚水在土壤中有必要考虑模型的自由,大体积的水纹理作为主要标准的比较。

符合嗜Ananyan B.N.Dostovalov O.Ya。Samoylov,丫。即弗仑克尔和其他研究人员的发展过程的冰-自由水蒸汽相变(冰分解)的过程可以用以下方式表示(11)。冰的温度接近0°C每个分子位于一个冰格点的最小动能EK最大活化能,即组合键能EB或与周围的分子相互作用的能量。EK价值被证明是大大低于EB值在这种情况下。增加速度的分子运动的发生与热输入冰。

传入的能量消耗来克服特定分子之间的债券在冰上纹理,使分子执行转化跳当EK > EB。能源行动仍在继续,有一段时间,超过9 - 13%的氢键断裂,等温熔炼的过程就开始了。破碎的氢键的比例决定从融化的热之间的关系(5.9 kJ摩尔~ *)和升华(48.1 kJmol”1)。

打破这样一个数量的水分子的氢键发生由于形成足够的冰晶体点阵点造成的职位空缺数量越来越多的分子的平动跳跃。由于对称和窗饰冰结构远程秩序休息,,成碎片。同时分子的团体或协会不再相互毗邻等有序的方式他们在冰水晶身体分离或隔离。应满足两个条件的形成这种分离关联:1)必须打破许多邻国之间的氢键分子和水协会的轮廓;2)设置分离分子的团体(“块冰”)振动(布朗运动)在他们的平衡中心。后者发生的h2o分子传输的冲动。能量的增加水转动振动运动的分子在晶格点几乎停止。与这个没有进一步增加冰的温度持续高温的到来。

在冰融化的过程中最大的和最慢的协会水分子可以分解,分成较小的动量的影响下的个人翻译分子以及他们的团体。冰和水的总量增加在这种情况下,密度减少由于断裂的四面体的六角冰纹理和渗透的分子空洞仍坚持在晶格的完整部分。协调这样的一个系统的分子数量增加超过4,也就是说,每个分子的氢键的数量增加,即活化能增加。换句话说,进一步打破协会停止,平均达到某一临界质量,而到达热量消耗主要集中在增加分子的动能的协会和协会。系统的温度开始上升,而融化和进一步打破氢键停止。

基于上述简单考虑相反的过程,即水变成冰的变换(水的过程冻结)。因此,转化的数量跳跃和h2o分子扩散的速度和水的小协会与从水中提取热量减少。那一刻被翻译的粒子削弱。振动的大型分子协会组成的骨架结构周围的水平衡中心减慢。水温下降的自然结果。缓慢的增加意味着水分子之间的氢键的关系能够保持协会和组织的分子在一起。分子的布朗运动减慢,然后完全停止。扩大协会的统一和意味着临界点和更高的质量增加,即转变发生关联,全晶的核的冰结晶快速增长并释放热量。小协会以及隔离扩散h2o分子开始添加这些扩大的。因为水分子的配位数比水和少一个冰格= 4,以及因为冰结晶六角晶系的特点是免费章节(孔)的存在,系统的体积随水变成冰的过渡而密度减少。 An expansion of water by 9% occurs on its transition into ice.

统一的过程和扩大的H20协会和分子上面讨论配合必要的新水分子之间氢键的形成,自然释放的热量必须从系统中删除。

它可以假设突然冻结资金的过程。对于一个b

t呷一口

图1.5。温度变化随时间(t)在过冷fsup结晶货代在水中(a)和(b)冻结粘土土壤不同初始含水率西城< W2 < W3和恒定的热量消除利率,问”(实线)和Q2(虚线),问“^ Qy,尽快温度的冰晶体减少,均衡的温度系统开始和水接触冰晶的温度必须降低。然而水不能降低它的温度在这种情况下,因为它会变成冰的绑定(即关联的H20分子可能发生)。换句话说,任何地方的冰晶温度的降低或协会的水分子会导致结晶和过渡的一部分水变成冰。因此,系统的温度不能降低直到所有的水成冰的过渡发生(图1.5)。这就是为什么冻结过程是等温。它伴随着密集扩大协会、布朗运动和释放热量的结晶。然而,它可以假定,可以有条件时冻结资金基本上瞬间,因为很快热量除去冷冻系统。热结晶才会公布在这种情况下,因为没有水的结构转变成冰纹理。因此水是“固定”的质感和所谓的非晶(非晶的)冰形成纹理。

最复杂和不清楚的问题之一,水结晶理论的建立问题的临界质量的关联时水分子变成冰的晶体核,即转变成全面微晶核作为纹理而言。近年来调查允许假设这个发生在临界质量等于472。这个单元的大小的冰细胞被认为是10”20立方厘米。当达到这种质量,这些协会可以生长密集和未来晶体的基础。晶体通常从核中心的径向生长。从热力学角度讲额外部队绑定h2o分子和联想成冰纹理,即形成一个中心或中心结晶,结晶过程的启动是必要的。

有两个理论冰微晶发展的本质。其中之一(均匀)认为结晶中心作为常规的形成过程,与足够的质量协会入会均匀温度下降造成的水分子中分子运动减慢速度通过氢键与分子的拼接。冰晶的起始的异构理论是基于外国粒子的不可避免的存在(杂质)融化(水)作为自然种子晶体,即为结晶中心。异构理论并不排除晶体的均匀初始化的理论可能性。然而,自由水的杂质几乎是不可能的是这些外国粒子在实践中产生结晶。

进入亚稳状态,达到当液体过冷温度低于冰点,至关重要的起始齐次冰晶。这样的单晶是自发形成的,其未来取决于溶液的过冷度。水晶将增长在充分系统的过冷。计算表明,水可以在亚稳状态的温度范围在0和- 55°C之间。有可能过冷蒸馏水-12 - 16°C和- 72°C的小水滴的实验。在这样的温度下的结晶开始在整个体积下降。过冷的水的体积通常不会超过几个度,取决于水的成分,其形成的背景和冷却速度。

根据异构理论迫使结晶是由种子水晶,考虑到小过饱和或过冷的融化。最好的种子晶体颗粒(杂质)的晶体(ice)本身。下一个最好的同晶型物质的粒子能够提供坚实的解决方案和晶体,即所谓的天然气水合物和结晶水合物。原子或离子杂质的占据晶格的水。盐晶体不溶于水,各种机械违规行为和物质给予常规聚合生长晶体在一定条件下,也可以作为种子晶体。总的来说,所有的固体冰的结构相似,必须引起结晶。

冰晶体的进一步增长(启动后核)看,一方面,在特定的晶体化学结构和特性,另一方面,在喂养的条件。因此,考虑到恒定的温度梯度和生长晶体表面的不断增加,因此,对相变的增加支出的能量水成冰,水晶周围的水温会稍有上升一开始,从而减慢经济增长。随后,降低温度与系统外的去除释放热量水结晶过程中开始。换句话说,冰晶的生长在水中的性格可能是间歇性的和循环。为了应对轻微加热水的晶体及其增长进一步冷却,的差异水的密度能够引起温度扩散以及随之流入的水分子扩散质量的各个部分晶体使其增长。水晶边缘和顶点周围的增长率(角落)被证明是高于接近飞机,即生长各向异性是观察。冰针和恒星形成更快因为水晶顶点拉长。后来他们一起成长为连续大规模控股骨架形状只沿边缘(19)。片面的均匀冷却的条件下这将导致选择和主要增长的晶体取向的最有利的方向发展。的晶体取向不那么有利的方向是楔。同时越来越多的晶面是否满足任何异物开始推开这个身体与一定的力称为结晶。

在天然水含有溶解盐分化(分离)的组件通常是观察过程中结晶。在冷却的过程中这样一个解决方案,盐以及水分子的分子被组织成基本晶格。单独的冰和盐的晶格的形成。这种分层之间的区别是由晶体冰和盐的晶格参数。冻结过程中盐的基本晶格被拒绝的边界的力场冰晶核行为。冰晶通常包含少量的盐,这是由冰晶格形成的条件决定的。同时,结晶速率越大,越大的盐被晶体。冻结的温度(结晶)£°cr的盐溶液低于0°C。

水具有储存能量的636 J g ~ 1 302年的冰具有储存能量的詹~ 1在温度0°C。他们商店的不同的能量(334詹”1)表示熔化潜热冰。这热,从外部提供,消耗水的形成晶格,例如统计距离的变化意味着h2o分子在冰和水之间。

束缚水成冰的相变问题,首先,解释的影响土壤水的冻结温度的降低,比较复杂。很明显在最一般的分子动力学背景下,相变的过程中束缚水成冰与免费的模式必须在协议(散装)水。但是每个人都应该考虑到受矿物表面的水的特点是纹理不同于自由水。可以预计,水分子的骨架晶格组成的协会,典型的自由水,不在束缚水的口感。所有的水分子结合水可能参与特定结构的形成晶格结构模式对应的结晶矿物表面的晶格(衬底)。结果从外延机制绑定水表面,结合水晶格的结构模式越来越一致的纹理保湿矿物晶体晶格固体基质走近。与此同时,结合能源将逐步增长。换句话说矿物表面越近,越扭曲的纹理是束缚水与自由水。因此虽然可以满足第一个全晶的冰核的形成自由水分子的振动大协会组成的结构骨架水基本上应该减少,它们之间的氢键能把它们粘在一起下温度下降,这种情况是不够的第一冰核形成的束缚水。为束缚水,大H20协会组成结构晶格的大体积的水主要是缺席,首先有必要组织这种联系。 For this purpose sufficient lowering of temperature will be required to allow for a reduction of kinetic and vibrational energy of the individual molecules of bound water to an extent that the bond energy between molecules £b,or the activation energy, is greater than the sum of the kinetic energy and the bond energy between these molecules and the mineral substrate Em. In this case the hydrogen bonds of the H20

分子能够克服矿物颗粒的表面力的影响和组织分子像冰一样的关联。的条件的第一个全晶的冰核的形成束缚水被编写为:

Eb > Ek + Em (1.12)

他们是变量值随着矿物表面接触和倍增结合水膜的厚度h减少,我。e Em = f [\ / hn),其中n是一个指数的价值取决于类型的水和底物之间的相互作用。束缚水温度降低tsup,等于过冷温度需要满足这个条件,将取决于价值的成键的能量水的矿物基质。大力束缚水越多,温度越低,必须过冷。相应的过冷温度的特点是越来越低的负值减少初始土壤含水量(Wx < W2 < W3),因此,与减少的结合水膜厚度增加和相关能源水分子之间的键和矿物表面(见图1.5 b)。因此束缚水过冷土壤在冷却的过程中,首先取决于水的去除这部分的必要性从矿物颗粒表面力的作用,而仅仅需要自由水的过冷形成第一个全晶的冰核。这也可以看出,表面能量取决于温度,即,距离它有效降低温度。

因此一旦地面系统已经达到了一个温度等于过冷束缚水的温度(tsup < tj。”),大力减少绑定部分是外地面粒子的表面力的影响导致单个水分子的协会的形成和扩大。随后停止布朗(振动)运动协会(热被从系统中删除)将导致他们转换为全晶的冰核以及单个水分子的分组和小协会围绕这些,或者外国,结晶核。同时不需要额外的过冷对这个过程进行土壤水分,因为,一方面,条件(1.12)的实现提供了必要的温度下降(rsup < tj。”),另一方面,孔隙溶液的特征是存在大量的外国结晶核加速和增强水分子进入冰结构的重组。新冰核形成的过程中束缚水的土壤和转换的冰晶全部价值作为纹理而言将,自然,相变热的释放。这将导致土壤温度系统的间歇性的提高,因此,束缚水的的温度冻结或结晶f 'c”的开始。

束缚水结晶开始温度的土壤之间的键能的价值取决于土壤水分和矿物表面。实验调查表明,更高的能量和束缚水膜越薄,越低的温度价值开始结晶。因此,开始的温度的水冻结在砂是由高含量,而弱约束(几乎免费)水和它接近冰点的大部分(纯)水(fj。”« 0°C). At this temperature all the free water proceeds to freeze in sands, and the duration of freezing depends on the moisture content of the sand and on the intensity of cooling. If the heat removal from the freezing sand sample is continued, its temperature will decrease only slowly to approximately — 0.5 to — 1 °C (Fig. 1.6) pointing to freezing out of the progressively more bound water, this being confirmed by the liberation of the crystallization heat in small amounts. The temperature of the beginning of bound water crystallization in clay-rich soils turns out to be essentially lower than that in sands and can reach, for example, values of the order of —2.5 to — 3.5°C in the montmorillonite clays with moisture content of 41-45%. One should take into account in this case that the presence of solute salts and exchange cations in the bound water of soils will also reduce the value tJ." The further removal of the heat of phase transition from the clay-rich system causes a gradual lowering of the negative temperature as the freezing out of the increasingly more energetically bound layers of water proceeds (see Fig. 1.6). Thus the moisture phase transitions and the liberation of the heat of crystallization proceed not under a particular, constant temperature but in a range of negative temperatures in sands (although little pronounced) as well as in clay-containing soils. It is not unreasonable in this case to highlight only the temperature of the beginning of bound water crystallization (r'c"). The duration of crystallization of bound water as well as of free water will depend on the rate of heat removal from the system. A higher rate of heat removal will cause more rapid freezing out of bound water which is shown by a sharper knee in the curve of the freezing soil temperature change (see Fig. 1.5b).

为什么它是必要的温度下降过程中连续冻结越来越束缚水的层,第一次全晶的冰核开发和开始的温度-

继续阅读:水转移和冰冻融土壤的形成

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