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Enthalpy Relaxation Phenomenon of Heavy Ice*

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

Osamu Haida
Affiliation:
Department of Chemistry, Faculty of Science, Osaka University, Toyonaka, Osaka, Japan
Hiroshi Suga
Affiliation:
Department of Chemistry, Faculty of Science, Osaka University, Toyonaka, Osaka, Japan
Syūzō Seki
Affiliation:
Department of Chemistry, Faculty of Science, Osaka University, Toyonaka, Osaka, Japan
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

The heat capacities of quenched and annealed heavy ice Ih were measured in the temperature range 14 to 300 K by an adiabatic calorimeter. A relaxational thermal anomaly was found at around 115K and this phenomenon was ascribed to the onset of deuteron ordering in the crystal. The average activation enthalpy of the relaxational process was determined to be (26±5) kJ mol–1. Residual entropies of the crystal were recalculated on the basis of the present heat-capacity data combined with the revised values for enthalpy of vapourization, saturated vapour pressure, and spectroscopic entropy. They are (3.47±0.41) J K–1 mol–1 for the quenched crystal and (3.44±0.41) J K–1 mol–1 for the crystal annealed at 102–106 K for 264 h. The characteristics and the origin of the anomaly are discussed in comparison with that of ordinary ice.

Résumé

Résumé

Les capacités calorifiques de glace Ih lourde trempée et recuite sont mesurées entre 14 et 300 K grâce à un calorimètre adiabatique. Une anomalie de relaxation thermique a été trouvée autour de 115 K et ce phénomène est attribué à l’apparition d’un ordre des deutériums dans le cristal. L’enthalpie d’activation du processus de relaxation est de (26±5) kJ mol–1. Les entropies residuelles du cristal ont été recalculées grâce aux présents résultats de capacité calorifique combinés aux nouvelles valeurs de l’enthalpie de vaporisation, de pression, de vapeur saturante et d’entropie spectroscopique. On trouve (3,47±0,41) J K–1 mol–1 pour le cristal trempé et (3,44±0,41) J K–1 mol–1 pour le cristal recuit à 102–106 K pendant 264 h. Les caractéristiques et les origines de l’anomalie sont discutées en comparaison avec celle de la glace ordinaire.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Die Wärmekapazitäten von abgeschrecktem und getempertem schweren Eis Ih wurden im Temperaturbereich 14 bis 300 K mit einem adiabatischen Kalorimeter gemessen. Eine thermische Relaxationsanormalie wurde um 115 K gefunden, und diese Erscheinung wurde dem Einsetzen einer Ausordnung der Deuteronen im Kristall zugschrieben. Die Aktivierungsenthalpie des Relaxationsprozess wurde zu (26±5) kJ mol–1 bestimmt. Die Restentropien des Kristalls wurden neu berechnet auf der Grundlage der gegenwärtigen Wärmekapazitätswerte in Verbindung mit den überprüften Werten für die Verdampfungsenthalpie, Dampfsättigungsdruck und spektroskopische Entropie. Sie betragen (3,47±0,41 ) J K–1 mol–1 für die abgeschreckten Kristalle und (3,44±0,41)J K–1 mol–1 für den bei 102–106 K für 264 h getemperten Kristall. Die Merkmale und der Ursprung der Anomalie werden im Vergleich zu gewöhnlichem Eis besprochen.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1979
Figure 0

Table I.Molar heat capacities of deuterium oxide

Figure 1

Fig. 1.Anomalous temperature drift observed in D2O ice. ○Series 1, ● Series 2, Series 3.

Figure 2

Fig. 2.Cρ/T of D2O ice plotted against temperature. ○Series 1, ●Series 2, Series 3.

Figure 3

Table II.Residual Entropy Of Hexagonal Heavy Ice

Figure 4

Fig. 3.Three typical examples of spontaneous temperature rise due to enthalpy relaxation of D2O ice.

Figure 5

Table III.Data On Annealing Experiments

Figure 6

Fig. 4.Relaxation-time data of ice crystals determined by dielectric arul calorimetric methods. ○calorimetric method × TSD method, ● Step-response (or bridge) method.