¿Qué sucederá si un cubo hueco de acero con agua adentro se enfríe hasta que el agua se convierta en hielo (por lo tanto, más volumen)?

Como Aniket ya ha dicho, el agua se congelará si se enfría lo suficiente. Como reconoce en la pregunta, el agua congelada se expande y ocupa un mayor volumen. El agua congelada en una botella llena de agua demuestra esto, deformando la botella a medida que crece.

El resultado también depende del grosor del cubo de acero. Las láminas delgadas soldadas juntas probablemente cederán al hielo y a las fugas y roturas de primavera.

Una caja suficientemente robusta que no se deforme debe significar que el hielo se formará bajo presión. En estas circunstancias, no sugeriría que el hielo formado sea diferente del hielo normal, pero se congelará a una temperatura ligeramente más baja que el agua en condiciones estándar (1 atmósfera).

Sin embargo, al expandirse en este escenario, resulta que los científicos han intentado formar hielo bajo temperaturas y presiones variables, produciendo hielo de varios tipos cuyas estructuras cristalinas son bastante diferentes del hielo normal. El diagrama de fases es el siguiente:

… Cortesía de Wikipedia.

Desafortunadamente, no sé mucho sobre estas otras fases del hielo y Google Images no ha sido de mucha ayuda. Por lo tanto, dejaré que los lectores descubran más si lo desean.

Pero nuevamente, su caja de acero probablemente no producirá las presiones necesarias para formar otra cosa que no sea hielo normal.

Para ajustar ligeramente el trystan, responda y agregue un poco más de ciencia detrás del problema, suponiendo que la caja de acero esté construida lo suficientemente bien como para no deformarse a menos que bajo una presión muy alta, lo que se desarrollará es un equilibrio en el que el principio de la cámara: que el equilibrio se ajustará a contrarrestar los cambios en las condiciones aplicadas – se impondrá

En este caso, el equilibrio es el porcentaje de agua versus hielo en la caja.

A medida que baja la temperatura y el agua comienza a convertirse en hielo, el volumen de la mezcla de agua / hielo aumenta (ya que el hielo es menos denso que el agua), aplicando una mayor presión a la caja de acero (y aumentando la presión interna a la que se encuentra la mezcla) . Con el principio de le chatelier, el equlibrium se ajustará para reducir la presión que ha aumentado y, por lo tanto, se moverá hacia más agua y menos hielo. Esto no significa que ningún hielo se convierta en agua o que la presión sobre la caja no aumente en absoluto. Solo que habrá menos hielo a cierta temperatura para el agua en una caja cerrada de lo que habría habido si el agua / hielo hubiera podido expandirse libremente.

Esto es lo que muestra el gráfico en la respuesta de Trystan, que a medida que la presión aumenta, la temperatura a la que el agua se convierte en hielo también disminuye (es decir, debe hacerla mucho más fría para que todo se convierta en hielo).

Las siguientes etapas, de diferentes tipos de hielo que se forman a temperaturas muy altas se deben a estructuras cristalinas complejas que se forman una vez que el agua todavía está presente a presiones más altas (y temperaturas más bajas), pero temo que no entiendo el problema a ese nivel y es probablemente no sea tan relevante para esta pregunta.

Pero para resumir: si disminuye la temperatura del agua, comenzará a convertirse en hielo (y aumentará la presión en la caja), pero a un ritmo más lento que si el agua no estuviera unida. Dependiendo de qué tan bien se construyó la estructura de acero, la presión sobre las paredes probablemente cedería en algún momento, pero si no cede en ningún punto, entonces el gráfico que muestra el punto de congelación a cierta presión se aplicaría hasta congelar todo bloque de agua, y al final el hielo y la caja de acero estarían bajo una presión considerable.

El cubo, con toda probabilidad, se romperá. Esta es una técnica utilizada por los cerrajeros para abrir las cerraduras “imposibles”.

Un contenedor lo suficientemente robusto como para resistir presiones de 300MPa no se romperá; el hielo dentro se verá obligado a hacer la transición a uno de los muchos alótropos de agua sólida, de los cuales “hielo”, como lo conocemos, es solo uno.

Cualquier prueba simple en las tuberías de agua de su hogar demostrará que las tuberías se dividen, de manera bastante dramática y muy rápida. Las tuberías de alcantarillado de hierro fundido victoriano son buenas.

Hay algunos problemas con la medición de la presión ejercida por el agua congelada confinada y no puedo encontrar cifras. Romperá rocas gruesas, dividirá balas de cañón (como se mencionó en otra parte) y causará mucho daño.

Puse esto como un comentario, pero creo que es realmente y respondo. Así que aquí está de nuevo.

Ver diagrama de fase en una respuesta. A medida que se enfría, el hielo comienza a congelarse y la presión aumenta. Como el punto de fusión disminuye con la presión, deberá enfriarlo muy por debajo de 0 C. La presión eventualmente aumentará a la temperatura de transición para la formación de hielo III, que es más denso que el agua (Wiki). Creo que terminarás con algo así como una mezcla de triple punto con hielo III, hielo normal h y agua líquida con las proporciones para mantener el volumen fijo. Tal vez solo una mezcla de Ice III y I h, pero no lo creo.

¿Por qué no probarlo tú mismo? Mete una lata de coca cola en el congelador y mira qué sucede. Sé que no es un cubo y no es agua, pero te dará una idea. O si conoces a alguien que pueda hacer trabajos de chapa, haz que te hagan un cubo y suelde y cierre mientras está lleno de agua. Luego congélelo. Supongo que el acero tendría que ser muy delgado para romperse por la expansión. Probablemente dependerá también del volumen, por lo que tendrá que hacer varios tamaños diferentes de cubo en varios grosores para realizar su experimento correctamente.

La gente ha abierto bolas de cañón huecas de esa manera. Lo llenan de agua, lo tapan bien (hilos – ¿pegamento?), Y lo congelan. Grieta.
No tengo idea de cuán gruesas deberían ser las paredes de un contenedor de acero para evitar que se rompan.

Algo debería rendirse.

El cubo de acero.

Supongamos que esto nunca se romperá con la corriente infinita. Ideal por supuesto.

El proceso.

¿Se dará por vencido el proceso? Todos los diagramas anteriores son para volumen variable. Entonces el phasr. El diagrama no te dará una respuesta. Lo que necesitamos es un diagrama para volumen constante. A volumen constante, el agua puede permanecer como agua a bajas temperaturas. Cuando encontramos agua líquida en otro planeta a bajas temperaturas, asumimos que no es pura. Pero quién sabe que el agua aún es pura y puede tener otra fase que no conocemos.

Pensarás que el cubo de acero explotará. Pero no va a suceder ya que este proceso es lento, llevará tiempo.

Estamos hablando de enfriamiento en condiciones normales. Entonces, lo que sucederá es que el contenedor no explotará, el poder de tracción del acero es muy fuerte. Las moléculas de agua dentro del cubo se empaquetarán de cerca.

O si la lámina de acero que se usa para hacer el cubo es muy delgada y la enfriamos extremadamente, entonces habrá alguna fuga o el cubo se hinchará.