El hielo es agua que se congela en estado sólido y generalmente se forma a temperaturas de 0 ° C , 32 ° F o 273,15 K o menos . [4] Como sólido inorgánico cristalino de origen natural con una estructura ordenada, el hielo se considera un mineral . [5] [6] Dependiendo de la presencia de impurezas como partículas de tierra o burbujas de aire, puede aparecer transparente o de un color blanco azulado más o menos opaco .
En el Sistema Solar , el hielo es abundante y se produce naturalmente desde lugares tan cercanos al Sol como Mercurio hasta lugares tan lejanos como los objetos de la nube de Oort . Más allá del Sistema Solar, se presenta como hielo interestelar . Es abundante en la superficie de la Tierra , particularmente en las regiones polares y por encima de la línea de nieve [7] , y, como forma común de precipitación y deposición , desempeña un papel clave en el ciclo del agua y el clima de la Tierra . Cae en forma de copos de nieve y granizo o se presenta en forma de escarcha , carámbanos o picos de hielo y agregados de la nieve en forma de glaciares y capas de hielo.
El hielo presenta al menos diecinueve fases ( geometrías de empaquetamiento ), dependiendo de la temperatura y la presión. Cuando el agua se enfría rápidamente ( enfriamiento ), se pueden formar hasta tres tipos de hielo amorfo dependiendo de su historial de presión y temperatura. Cuando se enfría lentamente, se produce un túnel de protones correlacionado debajo−253,15 ºC (20K , _−423,67 °F ) dando lugar a fenómenos cuánticos macroscópicos . Prácticamente todo el hielo de la superficie de la Tierra y de su atmósfera tiene una estructura cristalina hexagonal denominada hielo I h (que se habla como "hielo uno h") con diminutos rastros de hielo cúbico, denominado hielo I c y, más recientemente, hielo VII. Inclusiones en diamantes. La transición de fase más común a hielo I h ocurre cuando el agua líquida se enfría por debajo0 ºC (273,15 mil ,32 °F ) a presión atmosférica estándar . También puede ser depositado directamente por el vapor de agua , como ocurre en la formación de las heladas. La transición del hielo al agua es el derretimiento y del hielo directamente al vapor de agua es la sublimación .
El hielo se utiliza de diversas formas, incluso para refrescarse, para deportes de invierno y para esculpir hielo .
El hielo posee una estructura cristalina regular basada en la molécula de agua, que consta de un único átomo de oxígeno unido covalentemente a dos átomos de hidrógeno , o H–O–H. Sin embargo, muchas de las propiedades físicas del agua y el hielo están controladas por la formación de enlaces de hidrógeno entre átomos de oxígeno e hidrógeno adyacentes; Si bien es un enlace débil, es fundamental para controlar la estructura tanto del agua como del hielo.
Una propiedad inusual del agua es que su forma sólida (hielo congelado a presión atmosférica ) es aproximadamente un 8,3% menos densa que su forma líquida; esto equivale a una expansión volumétrica del 9%. La densidad del hielo es 0,9167 [1] –0,9168 [2] g/cm 3 a 0 °C y presión atmosférica estándar (101.325 Pa), mientras que el agua tiene una densidad de 0,9998 [1] –0,999863 [2] g/cm 3 a la misma temperatura y presión. El agua líquida es más densa, esencialmente 1,00 g/cm 3 , a 4 °C y comienza a perder su densidad a medida que las moléculas de agua comienzan a formar cristales hexagonales de hielo cuando se alcanza el punto de congelación. Esto se debe a que los enlaces de hidrógeno dominan las fuerzas intermoleculares, lo que da como resultado un empaquetamiento de moléculas menos compacto en el sólido. La densidad del hielo aumenta ligeramente al disminuir la temperatura y tiene un valor de 0,9340 g/cm 3 a −180 °C (93 K). [10]
Cuando el agua se congela, aumenta su volumen (alrededor del 9% para el agua dulce). [11] El efecto de la expansión durante la congelación puede ser dramático, y la expansión del hielo es una causa básica de la erosión por congelación y descongelación de las rocas en la naturaleza y de daños a los cimientos de los edificios y las carreteras debido a las heladas . También es una causa común de inundación de casas cuando las tuberías de agua revientan debido a la presión del agua en expansión cuando se congela.
El resultado de este proceso es que el hielo (en su forma más común) flota sobre agua líquida, lo cual es una característica importante de la biosfera de la Tierra . Se ha argumentado que sin esta propiedad, los cuerpos de agua naturales se congelarían, en algunos casos permanentemente, de abajo hacia arriba, [12] dando como resultado una pérdida de vida animal y vegetal que depende del fondo en agua dulce y marina. Las capas de hielo suficientemente delgadas permiten el paso de la luz y al mismo tiempo protegen la parte inferior de condiciones climáticas extremas a corto plazo, como la sensación térmica . Esto crea un ambiente protegido para colonias de bacterias y algas. Cuando el agua de mar se congela, el hielo queda plagado de canales llenos de salmuera que sustentan organismos simpágicos como bacterias, algas, copépodos y anélidos, que a su vez proporcionan alimento a animales como el krill y peces especializados como el nototen calvo , de los que se alimenta a su vez. por animales más grandes como los pingüinos emperador y las ballenas minke . [13]
Cuando el hielo se derrite, absorbe tanta energía como la que se necesitaría para calentar una masa equivalente de agua a 80 °C. Durante el proceso de fusión, la temperatura permanece constante a 0 °C. Mientras se derrite, cualquier energía agregada rompe los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de hielo (agua). La energía está disponible para aumentar la energía térmica (temperatura) sólo después de que se rompan suficientes enlaces de hidrógeno para que el hielo pueda considerarse agua líquida. La cantidad de energía consumida al romper los enlaces de hidrógeno en la transición del hielo al agua se conoce como calor de fusión .
Al igual que el agua, el hielo absorbe luz en el extremo rojo del espectro preferentemente como resultado de un matiz de estiramiento del enlace oxígeno-hidrógeno (O-H). En comparación con el agua, esta absorción se desplaza hacia energías ligeramente más bajas. Así, el hielo aparece azul, con un tinte ligeramente más verde que el agua líquida. Dado que la absorción es acumulativa, el efecto de color se intensifica al aumentar el espesor o si los reflejos internos hacen que la luz recorra un camino más largo a través del hielo. [14]
Otros colores pueden aparecer en presencia de impurezas que absorben la luz, donde la impureza dicta el color en lugar del hielo mismo. Por ejemplo, los icebergs que contienen impurezas (p. ej., sedimentos, algas, burbujas de aire) pueden tener un aspecto marrón, gris o verde. [14]
Debido a que el hielo en ambientes naturales suele estar cerca de su temperatura de fusión, su dureza muestra variaciones de temperatura pronunciadas. En su punto de fusión, el hielo tiene una dureza Mohs de 2 o menos, pero la dureza aumenta a aproximadamente 4 a una temperatura de -44 °C (-47 °F) y a 6 a una temperatura de -78,5 °C (-109,3 °C). °F), el punto de vaporización del dióxido de carbono sólido (hielo seco). [15]
El hielo puede ser cualquiera de las, a partir de 2021, diecinueve fases sólidas cristalinas de agua conocidas , o en un estado sólido amorfo en varias densidades. [dieciséis]
La mayoría de los líquidos bajo mayor presión se congelan a temperaturas más altas porque la presión ayuda a mantener unidas las moléculas. Sin embargo, los fuertes enlaces de hidrógeno del agua lo hacen diferente: para algunas presiones superiores a 1 atm (0,10 MPa), el agua se congela a una temperatura inferior a 0 °C, como se muestra en el diagrama de fases siguiente. Se cree que el derretimiento del hielo bajo altas presiones contribuye al movimiento de los glaciares . [17]
En el punto triple , que está exactamente a 273,16 K (0,01 °C) a una presión de 611,657 Pa , pueden coexistir hielo, agua y vapor de agua . [18] [19] El kelvin se definió como1/273.16de la diferencia entre este punto triple y el cero absoluto , [20] aunque esta definición cambió en mayo de 2019. [21] A diferencia de la mayoría de los otros sólidos, el hielo es difícil de sobrecalentar . En un experimento, se sobrecalentó hielo a -3 °C a unos 17 °C durante unos 250 picosegundos . [22]
Sometido a presiones más altas y temperaturas variables, el hielo puede formarse en diecinueve fases cristalinas conocidas separadas. Con cuidado, al menos quince de estas fases (una de las excepciones conocidas es el hielo X) se pueden recuperar a presión ambiente y baja temperatura en forma metaestable . [23] [24] Los tipos se diferencian por su estructura cristalina, orden de protones, [25] y densidad. También hay dos fases metaestables de hielo bajo presión, ambas completamente desordenadas por hidrógeno; estos son IV y XII . El hielo XII fue descubierto en 1996. En 2006, se descubrieron los hielos XIII y XIV . [26] Los hielos XI , XIII y XIV son formas ordenadas por hidrógeno de los hielos I h , V y XII respectivamente. En 2009, se encontró hielo XV a presiones extremadamente altas y -143 °C. [27] A presiones aún más altas, se predice que el hielo se convertirá en metal ; Se ha estimado de diversas formas que esto ocurre en 1,55 TPa [28] o 5,62 TPa. [29]
Además de las formas cristalinas, el agua sólida puede existir en estados amorfos como agua sólida amorfa (ASW) de diferentes densidades. El agua en el medio interestelar está dominada por hielo amorfo, lo que la convierte probablemente en la forma más común de agua en el universo. ASW de baja densidad (LDA), también conocida como agua vidriosa hiperapagada, puede ser responsable de las nubes noctilucentes en la Tierra y generalmente se forma por deposición de vapor de agua en condiciones de frío o vacío. El ASW de alta densidad (HDA) se forma mediante la compresión de hielo ordinario I h o LDA a presiones de GPa. El ASW de muy alta densidad (VHDA) es HDA que se calienta ligeramente a 160 K bajo presiones de 1 a 2 GPa.
En el espacio exterior, el hielo cristalino hexagonal (la forma predominante que se encuentra en la Tierra) es extremadamente raro. El hielo amorfo es más común; sin embargo, el hielo cristalino hexagonal puede formarse por acción volcánica. [30]
El hielo de un agua superiónica teorizada puede poseer dos estructuras cristalinas. A presiones superiores a 500.000 bares (7.300.000 psi), dicho hielo superiónico adoptaría una estructura cúbica centrada en el cuerpo . Sin embargo, a presiones superiores a 1.000.000 bares (15.000.000 psi), la estructura puede cambiar a una red cúbica centrada en las caras más estable . Se especula que el hielo superiónico podría componer el interior de gigantes de hielo como Urano y Neptuno. [31]
El bajo coeficiente de fricción (" resbaladizo ") del hielo se ha atribuido a la presión de un objeto que entra en contacto con el hielo, derritiendo una fina capa de hielo y permitiendo que el objeto se deslice por la superficie. [51] Por ejemplo, la hoja de un patín sobre hielo, al ejercer presión sobre el hielo, derretiría una capa delgada, proporcionando lubricación entre el hielo y la hoja. Esta explicación, llamada " fusión por presión ", se originó en el siglo XIX. Sin embargo, no tiene en cuenta el patinaje sobre hielo con temperaturas inferiores a -4 °C (25 °F; 269 K), sobre el que a menudo se patina. Además, el efecto de la fusión por presión es demasiado pequeño para explicar la fricción reducida que se experimenta comúnmente. [52]
Una segunda teoría que describe el coeficiente de fricción del hielo sugirió que las moléculas de hielo en la interfaz no pueden unirse adecuadamente con las moléculas de la masa de hielo debajo (y, por lo tanto, pueden moverse libremente como moléculas de agua líquida). Estas moléculas permanecen en estado semilíquido, proporcionando lubricación independientemente de la presión contra el hielo que ejerza cualquier objeto. Sin embargo, la importancia de esta hipótesis es cuestionada por experimentos que muestran un alto coeficiente de fricción para el hielo utilizando microscopía de fuerza atómica . [52]
Una tercera teoría es el "calentamiento por fricción", que sugiere que la fricción del material es la causa del derretimiento de la capa de hielo. Sin embargo, esta teoría no explica suficientemente por qué el hielo es resbaladizo en reposo, incluso a temperaturas bajo cero. [51]
Una teoría integral de la fricción del hielo tiene en cuenta todos los mecanismos de fricción mencionados anteriormente. [53] Este modelo permite la estimación cuantitativa del coeficiente de fricción del hielo contra diversos materiales en función de la temperatura y la velocidad de deslizamiento. En condiciones típicas relacionadas con los deportes de invierno y los neumáticos de un vehículo sobre hielo, el derretimiento de una fina capa de hielo debido al calentamiento por fricción es la principal razón del resbalamiento. [ cita necesaria ] El mecanismo que controla las propiedades de fricción del hielo sigue siendo un área activa de estudio científico. [54]
El término que describe colectivamente todas las partes de la superficie de la Tierra donde el agua se encuentra congelada es criosfera . El hielo es un componente importante del clima global, particularmente en lo que respecta al ciclo del agua. Los glaciares y los mantos de nieve son un importante mecanismo de almacenamiento de agua dulce; con el tiempo, pueden sublimarse o derretirse. El deshielo es una fuente importante de agua dulce estacional. La Organización Meteorológica Mundial define varios tipos de hielo según su origen, tamaño, forma, influencia, etc. [55] Los hidratos de clatrato son formas de hielo que contienen moléculas de gas atrapadas dentro de su red cristalina.
El hielo que se encuentra en el mar puede estar en forma de hielo a la deriva flotando en el agua, hielo fijo fijado a la costa o hielo anclado si está adherido al fondo del mar. El hielo que se desprende (se desprende) de una plataforma de hielo o de un glaciar puede convertirse en un iceberg. Las corrientes y los vientos pueden juntar el hielo marino para formar crestas de presión de hasta 12 metros (39 pies) de altura. La navegación a través de zonas de hielo marino se produce en aberturas llamadas " polinias " o " conductos " o requiere el uso de un barco especial llamado " rompehielos ".
El hielo en tierra varía desde el tipo más grande llamado " capa de hielo " hasta casquetes y campos de hielo más pequeños , glaciares y corrientes de hielo hasta la línea de nieve y los campos de nieve .
Aufeis es una capa de hielo que se forma en los valles de los arroyos árticos y subárticos. El hielo, congelado en el lecho del arroyo, bloquea la descarga normal de agua subterránea y hace que el nivel freático local aumente, lo que resulta en una descarga de agua sobre la capa congelada. Esta agua luego se congela, lo que hace que el nivel freático aumente aún más y se repita el ciclo. El resultado es un depósito de hielo estratificado, a menudo de varios metros de espesor.
La lluvia helada es un tipo de tormenta invernal llamada tormenta de hielo donde la lluvia cae y luego se congela produciendo una capa de hielo. El hielo también puede formar carámbanos, similares en apariencia a estalactitas , o formas parecidas a estalagmitas cuando el agua gotea y se vuelve a congelar.
El término "presa de hielo" tiene tres significados (otros se analizan a continuación). En las estructuras, una presa de hielo es la acumulación de hielo en un techo inclinado que impide que el agua derretida se drene adecuadamente y puede causar daños por fugas de agua en los edificios.
El hielo que se forma en aguas en movimiento tiende a ser menos uniforme y estable que el hielo que se forma en aguas tranquilas. Los atascos de hielo (a veces llamados "diques de hielo"), cuando se acumulan trozos de hielo rotos, son el mayor peligro de hielo en los ríos. Los atascos de hielo pueden causar inundaciones, dañar estructuras dentro o cerca del río y dañar embarcaciones en el río. Los atascos de hielo pueden provocar el cierre total de algunas instalaciones industriales hidroeléctricas . Una presa de hielo es un bloqueo del movimiento de un glaciar que puede producir un lago proglacial . Los fuertes flujos de hielo en los ríos también pueden dañar los buques y requieren el uso de un rompehielos para mantener la navegación posible.
Los discos de hielo son formaciones circulares de hielo rodeadas de agua en un río. [56]
El hielo en forma de panqueque es una formación de hielo que generalmente se crea en áreas con condiciones menos tranquilas.
El hielo se forma en aguas tranquilas de las costas, una fina capa que se extiende por la superficie y luego hacia abajo. El hielo de los lagos es generalmente de cuatro tipos: primario, secundario, superpuesto y aglomerado. [57] [58] El hielo primario se forma primero. El hielo secundario se forma debajo del hielo primario en una dirección paralela a la dirección del flujo de calor. El hielo superpuesto se forma sobre la superficie del hielo a partir de la lluvia o el agua que se filtra a través de las grietas del hielo y que a menudo se asienta cuando se carga con nieve.
La plataforma de hielo se produce cuando los trozos de hielo flotantes son arrastrados por el viento y se acumulan en la costa de barlovento.
El hielo de vela es una forma de hielo podrido que se forma en columnas perpendiculares a la superficie de un lago.
Un empujón de hielo ocurre cuando el movimiento del hielo, causado por la expansión del hielo y/o la acción del viento, ocurre hasta el punto de que el hielo empuja hacia las orillas de los lagos, a menudo desplazando los sedimentos que forman la costa. [59]
La escarcha es un tipo de hielo que se forma sobre los objetos fríos cuando cristalizan gotas de agua sobre ellos. Esto se puede observar en tiempo de niebla , cuando la temperatura desciende durante la noche. La escarcha blanda contiene una alta proporción de aire atrapado, lo que la hace parecer más blanca que transparente y le da una densidad de aproximadamente una cuarta parte de la del hielo puro. La escarcha dura es comparativamente densa.
Los gránulos de hielo son una forma de precipitación que consiste en pequeñas bolas de hielo translúcidas . El Servicio Meteorológico Nacional de Estados Unidos también denomina a esta forma de precipitación "aguanieve" . [60] (En inglés británico, "aguanieve" se refiere a una mezcla de lluvia y nieve ). Los gránulos de hielo suelen ser más pequeños que el granizo. [61] A menudo rebotan cuando golpean el suelo y, por lo general, no se congelan hasta formar una masa sólida a menos que se mezclen con lluvia helada . El código METAR para hielo granulado es PL . [62]
Los gránulos de hielo se forman cuando una capa de aire por encima del punto de congelación se encuentra entre 1.500 y 3.000 metros (4.900 y 9.800 pies) sobre el suelo, con aire bajo cero tanto por encima como por debajo. Esto provoca el derretimiento parcial o total de los copos de nieve que caen a través de la capa cálida. A medida que vuelven a caer en la capa bajo cero más cercana a la superficie, se vuelven a congelar en bolitas de hielo. Sin embargo, si la capa bajo cero debajo de la capa cálida es demasiado pequeña, la precipitación no tendrá tiempo de volver a congelarse y el resultado será una lluvia helada en la superficie. Es más probable que se encuentre un perfil de temperatura que muestre una capa cálida sobre el suelo antes de un frente cálido durante la estación fría, [63] pero ocasionalmente se puede encontrar detrás de un frente frío que pasa .
Al igual que otras precipitaciones, el granizo se forma en las nubes de tormenta cuando las gotas de agua sobreenfriada se congelan al entrar en contacto con núcleos de condensación , como polvo o tierra . La corriente ascendente de la tormenta arrastra el granizo a la parte superior de la nube. La corriente ascendente se disipa y el granizo cae, regresa a la corriente ascendente y se levanta nuevamente. El granizo tiene un diámetro de 5 milímetros (0,20 pulgadas) o más. [64] Dentro del código METAR , GR se utiliza para indicar granizo de mayor tamaño, de un diámetro de al menos 6,4 milímetros (0,25 pulgadas) y GS para menor. [62] Piedras de 19 milímetros (0,75 pulgadas), 25 milímetros (1,0 pulgadas) y 44 milímetros (1,75 pulgadas) son los tamaños de granizo reportados con mayor frecuencia en América del Norte. [65] El granizo puede crecer hasta 15 centímetros (6 pulgadas) y pesar más de 0,5 kilogramos (1,1 libras). [66] En los granizos grandes, el calor latente liberado por una mayor congelación puede derretir la capa exterior del granizo. El granizo puede entonces sufrir un "crecimiento húmedo", donde la capa exterior líquida acumula otros granizos más pequeños. [67] El granizo gana una capa de hielo y crece cada vez más con cada ascenso. Una vez que el granizo se vuelve demasiado pesado para ser sostenido por la corriente ascendente de la tormenta, cae de la nube. [68]
El granizo se forma en nubes de tormenta fuertes, particularmente aquellas con intensas corrientes ascendentes, alto contenido de agua líquida, gran extensión vertical, grandes gotas de agua y donde una buena parte de la capa de nubes está por debajo de los 0 °C (32 °F). [64] Las nubes que producen granizo a menudo son identificables por su coloración verde. [69] [70] La tasa de crecimiento se maximiza a aproximadamente -13 °C (9 °F) y se vuelve extremadamente pequeña mucho por debajo de -30 °C (-22 °F) a medida que las gotas de agua sobreenfriada se vuelven raras. Por esta razón, el granizo es más común en el interior continental de las latitudes medias, ya que la formación de granizo es considerablemente más probable cuando el nivel de congelación está por debajo de la altitud de 11.000 pies (3.400 m). [71] El arrastre de aire seco hacia fuertes tormentas sobre continentes puede aumentar la frecuencia del granizo al promover el enfriamiento por evaporación, que reduce el nivel de congelación de las nubes de tormenta, dando al granizo un mayor volumen para crecer. En consecuencia, el granizo es en realidad menos común en los trópicos a pesar de una frecuencia de tormentas mucho mayor que en las latitudes medias porque la atmósfera sobre los trópicos tiende a ser más cálida en una profundidad mucho mayor. El granizo en los trópicos ocurre principalmente en elevaciones más altas. [72]
Los cristales de nieve se forman cuando se congelan pequeñas gotas de nubes sobreenfriadas (de aproximadamente 10 μm de diámetro) . Estas gotas pueden permanecer líquidas a temperaturas inferiores a -18 °C (255 K; 0 °F), porque para congelarse, algunas moléculas de la gota deben unirse por casualidad para formar una disposición similar a la del hielo. enrejado; luego la gota se congela alrededor de este "núcleo". Los experimentos muestran que esta nucleación "homogénea" de las gotas de las nubes sólo ocurre a temperaturas inferiores a -35 °C (238 K; -31 °F). [73] En las nubes más cálidas, una partícula de aerosol o "núcleo de hielo" debe estar presente en (o en contacto con) la gota para actuar como núcleo. Nuestro conocimiento sobre qué partículas forman núcleos de hielo eficientes es pobre; lo que sí sabemos es que son muy raras en comparación con los núcleos de condensación de nubes en los que se forman gotas de líquido. Las arcillas, el polvo del desierto y las partículas biológicas pueden ser eficaces, [74] aunque no está claro hasta qué punto. Los núcleos artificiales se utilizan en la siembra de nubes . [75] La gota luego crece por condensación de vapor de agua sobre las superficies del hielo.
El llamado "polvo de diamante", también conocido como agujas de hielo o cristales de hielo, se forma a temperaturas cercanas a -40 °C (-40 °F) debido a que el aire con una humedad ligeramente mayor procedente de lo alto se mezcla con aire más frío de la superficie. [76] El identificador METAR para el polvo de diamante en los informes meteorológicos horarios internacionales es IC . [62]
La ablación del hielo se refiere tanto a su fusión como a su disolución .
El derretimiento del hielo implica la ruptura de los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua. El orden de las moléculas en el sólido se rompe a un estado menos ordenado y el sólido se funde para convertirse en líquido. Esto se consigue aumentando la energía interna del hielo más allá del punto de fusión . Cuando el hielo se derrite, absorbe tanta energía como la que se necesitaría para calentar una cantidad equivalente de agua a 80 °C. Mientras se derrite, la temperatura de la superficie del hielo permanece constante en 0 °C. La velocidad del proceso de fusión depende de la eficiencia del proceso de intercambio de energía. Una superficie de hielo en agua dulce se derrite únicamente por convección libre con una velocidad que depende linealmente de la temperatura del agua, T ∞ , cuando T ∞ es menor que 3,98 °C, y superlinealmente cuando T ∞ es igual o mayor que 3,98 °C, siendo la tasa proporcional a (T ∞ − 3,98 °C) α , con α = 5/3para T ∞ mucho mayor que 8 °C, y α = 4/3para temperaturas intermedias T ∞ . [77]
En condiciones ambientales saladas, la disolución, en lugar del derretimiento, suele provocar la ablación del hielo. Por ejemplo, la temperatura del Océano Ártico está generalmente por debajo del punto de fusión de la ablación del hielo marino. La transición de fase de sólido a líquido se logra mezclando moléculas de sal y agua, similar a la disolución del azúcar en agua, aunque la temperatura del agua está muy por debajo del punto de fusión del azúcar. Por lo tanto, la velocidad de disolución está limitada por el transporte de sal, mientras que la fusión puede ocurrir a velocidades mucho más altas que las características del transporte de calor . [ se necesita aclaración ] [78]
Los seres humanos han utilizado el hielo para enfriar y conservar alimentos durante siglos, basándose en la recolección de hielo natural en diversas formas y luego pasando a la producción mecánica del material. El hielo también presenta un desafío para el transporte en diversas formas y un escenario para los deportes de invierno.
El hielo se ha valorado durante mucho tiempo como medio de enfriamiento. En el año 400 a. C. en Irán, los ingenieros persas ya dominaban la técnica de almacenar hielo en pleno verano en el desierto. El hielo se traía en grandes cantidades desde charcos de hielo o durante los inviernos desde montañas cercanas y se almacenaba en refrigeradores especialmente diseñados y enfriados de forma natural , llamados yakhchal (que significa almacenamiento de hielo ). Se trataba de un gran espacio subterráneo (de hasta 5000 m 3 ) que tenía paredes gruesas (al menos dos metros en la base) hechas de un mortero especial llamado sarooj , compuesto de arena, arcilla, clara de huevo, cal, pelo de cabra y ceniza. en proporciones específicas y que se sabía que era resistente a la transferencia de calor. Se pensaba que esta mezcla era completamente impenetrable al agua. El espacio a menudo tenía acceso a un qanat y a menudo contenía un sistema de captadores de viento que fácilmente podían reducir las temperaturas dentro del espacio a niveles gélidos en los días de verano. El hielo se utilizaba para enfriar las delicias de la realeza.
En la Inglaterra de los siglos XVI y XVII había industrias prósperas en las que las zonas bajas a lo largo del estuario del Támesis se inundaban durante el invierno y el hielo se recolectaba en carros y se almacenaba entre estaciones en casas de madera aisladas como provisión para una cámara de hielo, a menudo ubicada en grandes zonas rurales. casas y se utilizan ampliamente para mantener fresco el pescado capturado en aguas distantes. Esto supuestamente fue copiado por un inglés que había visto la misma actividad en China. Ya en 1823 se importaba hielo a Inglaterra desde Noruega en una escala considerable .
En los Estados Unidos, el primer cargamento de hielo se envió desde la ciudad de Nueva York a Charleston, Carolina del Sur , en 1799, [79] y en la primera mitad del siglo XIX, la recolección de hielo se había convertido en un gran negocio. Frederic Tudor , conocido como el "Rey del Hielo", trabajó en el desarrollo de mejores productos aislantes para envíos de hielo a larga distancia, especialmente a los trópicos; esto se conoció como el comercio de hielo .
Entre 1812 y 1822, bajo la instrucción de Lloyd Hesketh Bamford Hesketh , se construyó el castillo de Gwrych con 18 grandes torres, una de esas torres se llama 'Torre de Hielo'. Su único propósito era almacenar hielo. [80]
Trieste envió hielo a Egipto , Corfú y Zante ; Suiza, a Francia; y Alemania a veces se abastecía de los lagos bávaros . [79] El edificio del Parlamento húngaro utilizó hielo recolectado en invierno del lago Balaton para aire acondicionado.
Las casas de hielo se utilizaban para almacenar el hielo formado en el invierno, para que estuviera disponible durante todo el año, y un tipo de refrigerador antiguo conocido como nevera se enfriaba utilizando un bloque de hielo colocado en su interior. En muchas ciudades no era raro contar con un servicio regular de entrega de hielo durante el verano. Desde entonces, la llegada de la tecnología de refrigeración artificial ha hecho obsoleta la entrega de hielo.
Todavía se recolecta hielo para eventos de esculturas de hielo y nieve . Por ejemplo, cada año se utiliza una sierra oscilante para obtener hielo de la superficie helada del río Songhua para el Festival Internacional de Esculturas de Hielo y Nieve de Harbin . [81]
El proceso escrito más antiguo conocido para fabricar hielo artificialmente se encuentra en los escritos del siglo XIII del historiador árabe Ibn Abu Usaybia en su libro Kitab Uyun al-anba fi tabaqat-al-atibba sobre medicina en el que Ibn Abu Usaybi'a atribuye el proceso a un autor aún mayor, Ibn Bakhtawayhi, del que no se sabe nada. [82]
Actualmente el hielo se produce a escala industrial, para usos que incluyen el almacenamiento y procesamiento de alimentos, la fabricación de productos químicos, la mezcla y el curado de hormigón y el hielo envasado o de consumo. [83] La mayoría de las máquinas de hielo comerciales producen tres tipos básicos de hielo fragmentario: en escamas, tubular y en placas, utilizando una variedad de técnicas. [83] Las grandes fábricas de hielo pueden producir hasta 75 toneladas de hielo por día. [84] En 2002, había 426 empresas comerciales de fabricación de hielo en los Estados Unidos, con un valor combinado de envíos de 595.487.000 dólares. [85] Los refrigeradores domésticos también pueden producir hielo con una máquina de hielo incorporada , que normalmente producirá cubitos de hielo o hielo triturado. Las unidades de fabricación de hielo independientes que producen cubitos de hielo a menudo se denominan máquinas de hielo.
El hielo puede presentar desafíos para el transporte seguro por tierra, mar y aire.
La formación de hielo en las carreteras es un peligro peligroso en invierno. El hielo negro es muy difícil de ver porque carece de la superficie helada esperada. Siempre que hay lluvia helada o nieve que se produce a una temperatura cercana al punto de fusión, es común que se acumule hielo en las ventanillas de los vehículos. Conducir con seguridad requiere eliminar la acumulación de hielo. Los raspadores de hielo son herramientas diseñadas para romper el hielo y limpiar las ventanas, aunque quitar el hielo puede ser un proceso largo y laborioso.
Bastante por debajo del punto de congelación, se puede formar una fina capa de cristales de hielo en la superficie interior de las ventanas. Esto suele ocurrir cuando un vehículo se ha dejado solo después de conducirlo durante un tiempo, pero puede ocurrir mientras se conduce, si la temperatura exterior es lo suficientemente baja. La humedad del aliento del conductor es la fuente de agua para los cristales. Es problemático eliminar esta forma de hielo, por lo que la gente suele abrir ligeramente las ventanas cuando el vehículo está estacionado para permitir que la humedad se disipe, y ahora es común que los automóviles tengan desempañadores en las ventanas traseras para resolver el problema. Un problema similar puede ocurrir en los hogares, lo cual es una de las razones por las que muchas regiones más frías requieren ventanas de doble panel como aislamiento.
Cuando la temperatura exterior permanece bajo cero durante períodos prolongados, se pueden formar capas muy gruesas de hielo en lagos y otras masas de agua, aunque los lugares con agua corriente requieren temperaturas mucho más frías. El hielo puede volverse lo suficientemente grueso como para construir carreteras de hielo para automóviles y camiones . Hacer esto de forma segura requiere un espesor de al menos 30 cm ( 11+3 ⁄ 4 pulgadas).
Para los barcos, el hielo presenta dos peligros distintos. En primer lugar, las salpicaduras y la lluvia helada pueden producir una acumulación de hielo en la superestructura de una embarcación suficiente para volverla inestable y requerir que sea cortada o derretida con mangueras de vapor. En segundo lugar, los icebergs (grandes masas de hielo que flotan en el agua (normalmente creadas cuando los glaciares llegan al mar)) pueden ser peligrosos si son golpeados por un barco mientras navegan. Los icebergs han sido responsables del hundimiento de muchos barcos, siendo el más famoso el Titanic . Para los puertos cercanos a los polos , estar libres de hielo, idealmente durante todo el año, es una ventaja importante. Algunos ejemplos son Murmansk (Rusia), Petsamo (Rusia, antes Finlandia) y Vardø (Noruega). Los puertos que no están libres de hielo se abren con rompehielos .
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Para los aviones, el hielo puede causar numerosos peligros. A medida que un avión asciende, atraviesa capas de aire de diferente temperatura y humedad, algunas de las cuales pueden favorecer la formación de hielo. Si se forma hielo en las alas o en las superficies de control, esto puede afectar negativamente a las cualidades de vuelo de la aeronave. Durante el primer vuelo sin escalas a través del Atlántico , los aviadores británicos, el capitán John Alcock y el teniente Arthur Whitten Brown, se encontraron con este tipo de condiciones de formación de hielo: Brown abandonó la cabina y subió varias veces al ala para quitar el hielo que cubría las tomas de aire del motor del avión. Aviones Vickers Vimy que volaban.
Una vulnerabilidad afectada por la formación de hielo asociada con los motores de combustión interna alternativos es el carburador . A medida que el aire es aspirado a través del carburador hacia el motor, la presión del aire local disminuye, lo que provoca un enfriamiento adiabático . Por lo tanto, en condiciones húmedas cercanas al punto de congelación, el carburador estará más frío y tenderá a congelarse. Esto bloqueará el suministro de aire al motor y provocará que falle. Por esta razón, los motores alternativos de avión con carburadores están provistos de calentadores de entrada de aire del carburador . El uso cada vez mayor de la inyección de combustible , que no requiere carburadores, ha hecho que la "congelación de carbohidratos" sea menos un problema para los motores alternativos.
Los motores a reacción no experimentan formación de hielo en el carburante, pero evidencia reciente indica que la formación de hielo interno puede ralentizarlos, detenerlos o dañarlos en ciertos tipos de condiciones atmosféricas mucho más fácilmente de lo que se creía anteriormente. En la mayoría de los casos, los motores se pueden reiniciar rápidamente y los vuelos no corren peligro, pero se continúa investigando para determinar las condiciones exactas que producen este tipo de formación de hielo y encontrar los mejores métodos para prevenirlo o revertirlo en vuelo.
El hielo también desempeña un papel central en la recreación invernal y en muchos deportes como el patinaje sobre hielo , el patinaje sobre hielo , el hockey sobre hielo , el bandy , la pesca en hielo , la escalada en hielo , el curling , el broomball y las carreras de trineos , trineos, trineos y esqueletos . Muchos de los diferentes deportes que se practican sobre hielo reciben atención internacional cada cuatro años durante los Juegos Olímpicos de Invierno .
Una especie de velero sobre palas da origen a la navegación a vela sobre hielo . Otro deporte son las carreras sobre hielo , donde los conductores deben acelerar sobre el hielo del lago y al mismo tiempo controlar el derrape de su vehículo (similar en algunos aspectos a las carreras en pista de tierra ). El deporte incluso ha sido modificado para incluir pistas de hielo .
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Las fases sólidas de varias otras sustancias volátiles también se denominan hielos ; generalmente un material volátil se clasifica como hielo si su punto de fusión se encuentra por encima o alrededor de 100 K. El ejemplo más conocido es el hielo seco , la forma sólida del dióxido de carbono .
También se realiza un "análogo magnético" del hielo en algunos materiales magnéticos aislantes en los que los momentos magnéticos imitan la posición de los protones en el hielo de agua y obedecen a restricciones energéticas similares a las reglas del hielo de Bernal-Fowler que surgen de la frustración geométrica de la configuración de los protones en agua helada. Estos materiales se denominan hielo de espín .
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