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Frazil Nucleation Mechanisms

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

Thomas O'D. Hanley S.J.*
Affiliation:
Physics Department, Wheeling College, Wheeling, WV 26003, U.S.A.
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Abstract

Previously the author had suggested that frazil nucleation occurs by a mechanism analogous to spinodal decomposition, aided by turbulence. After further study the following points are made: (1) No critical point exists between solid and liquid; this rules out true spinodal decomposition. (2) Pure water can be supercooled to -40°C; at -40°C the theoretical energy barrier to nucleation is about 10 -19 J. Frazil forms after supercooling less than 0.1 deg; at this temperature the theoretical energy barrier is about 10-14 J. (3) Theory shows that turbulence increases the energy barrier. (4) Turbulence may aid dissipation of heat of solidification, but not sufficiently to account for observed frazil formation at small supercoolings. (5) The author's evidence that frazil can begin to form at supercoolings as small as 0.02 deg suggests that no nucleus except ice itself can account for "heterogeneous" nucleation of frazil.

Résumé

Résumé

Nous avions auparavant, suggéré que la nucléation du frazil se produisait par un mécanisme analogue à la décomposition spinodale, aidée par Ia turbulence. Après une étude plus poussée les points suivants sent relevés. (1) Il n'existe pas de point critique entre lc solide et le liquide; ceci rejette l'idée vraie décomposition spinodale. (2) L'cau pure peut être surfondue jusqu'à -40°C; à -4.0°C la barrière énergètique théorique est d'environ to-19 J. Le frazil se forme apèrs une surfusion de moins de 0.1 deg; à cette température la barrierè énergétique théorique est autour de 10-14 J. (3) La théorie montre que la turbulence augmente la barrière énergétique. (4) La turbulence peut aider la dissipation de la chalcur de solidification, mais pas suffisamment pour tenir compte des formations de frazil observées pour des faibles surfusions. (5) L'observation suivant laquelle le frazil peut commencer à se former à des surfusions aussi faibles que 0,02 deg suggère qu'aucun noyau, sauf la glace elle-même, ne peut être à l'origine de la nucléation "hétérogène" du frazil.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Der Verfasser hat früher vorgeschlagen, dass die Keimbildung freischwebender Eiskristalle durch einen der spinodalen Entmischung ähnlichen Mechanismus erfolgt, der durch Turbulenz unterstüzt wird. Nach weiteren Untersuchungen werden folgende Feststellungen getroffen: (1) Es gibt keinen kritischen Punkt zwischen fester and flüssiger Phase; dies schliesst echte spinodale Entmischung aus. (2) Reines Wasser kann bis -40°C unterkühlt werden; bei -40°C beträgt die theoretische Energieschwelle für die Keimbildung rund 10-19 J. Freischwebendes Eis entsteht nace Unterkühlung von weniger als 0, 1 deg; bei dieser Temperatur ist die theoretische Energieschwelle rund 10-14 J. (3) Die Theorie zeigt, dass Turbulenz die Energieschwelle erhöht. (4) Turbulenz mag die Verteilung der Gefrierwärme fördern, aber nicht in ausreichendem Masse, urn die beobachtete Bildung freischwebender Eiskristalle bei geringer Unterkühlung zu erklären. (5) Die Beweise des Verfassers fur den Beginn der Bildung freischwebender Eiskristalle bei Unterkühlungen von nur 0,02 deg legt nahe, dass kein Keim, ausser Eis selbst, fur die "heterogene" Keimbildung der freischwebenden Eiskristalle verantwortlich ist.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1978
Figure 0

Fig. 1. Pressure P versus specific volume v for water. Continuous lines represent isotherms; the dashed line encloses a region of metastable states.

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Fig. 2. Temperature t versus specific volume v for water. The dashed line represents supercooled water.

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Fig. 3. Experimental mean values for the maximum supercooling observed in a cold room tank at various water speeds. Frazil formed in all experiments at speeds of 0.24 m s-1 or greater.