也说流水不易冰

    昨天网上讨论流水不易冰的问题，发现李维老师和吕喆老师的说法都有弱点，然后顺势研究过去，发现原来的问题是为何大桥下面不结冰，结果很多人都用流水不易冰来解释，这样的解释看上去简单，大体不错，但却没有答到点子上，这里也来说一说流水不易冰的问题，主要是回答大桥不冰的问题。

    所有的解释，都没有抓住换热的主要条件是辐射换热损失。我们感受到空气很冷，以为空气温度低，这是一种感觉上的误解，空气的温度不会低于大地的温度，空气让人感到冷，那是流速带来的对流损失，让人感到冷，这种冷是不易用温度计测量的，只是一种心理上的冷。如果拿空气对流来解释结冰问题，就出现了抓次要矛盾，忽视主要矛盾的问题，这是本文需要特别指出的。

    为什么会结冰？因为地球上的物体向宇宙辐射，导致辐射热损失很高，所以才会结冰。辐射换热是温度的4次方，因此换热系数（或温度梯度）是温度的3次方，这是导致辐射换热占主要地位的关键。地表水源会结冰，因为宇宙的背景温度只有3～5K（-270C），而地表结冰温度在273K， 这种大温差的辐射换热损失，是结冰的关键。

    为何流水不易冰？李维老师的解释更接近真相一点，就是流水带来更大的热量，可以抗拒散热损失。水的热容量本来就很大，流水因为是传质，可以更好地对抗辐射换热的损失。

    为何桥墩不易冰？吕喆老师的解释更合理一点，就是桥墩带来扰动，导致上下对流，相当于用传质克服了传热的损失。

    为何河中心冰薄而岸边冰厚？因为流动边界层问题，由于边界层的存在，水流速度变缓，导致传质换热不足以克服辐射热损失，所以岸边的冰厚，而中心的冰薄。

    为何桥下不易冰？因为辐射换热的效果，除了温差以外，关键是视角问题（View Angle）。如果桥面低，对于水面来说，就是辐射换热的障碍视角大，辐射损失低。如果桥面高，对于水面来说，就是障碍视角小，导致桥面对于辐射的影响小，几乎可以不计。对比以下两幅图，就是同一时间段，同一作者在同一河面拍摄的不同桥高带来的不同结冰效果，可以看出桥高对于辐射换热的影响。这里流水的速度几乎为零（其他地段都结冰了），可以忽略。

 

图1，低桥墩的辐射保护作用，注意两岸壁面的辐射保护作用也超过下图.

图2，二环立交桥的高度导致其辐射保护作用很小，所以结冰了。

     最后，还有一个附加的问题，为何热水结冰快？标准答案（美国化学教育杂志上发表的专业解释）是热水的分子运动速度快，在一定的温差下，热水内部的换热速度比冷水快，冷水的壁面开始结冰时，会妨害热量的继续传递。因此在相同条件下，热水结冰快。

     有道是，常识不究未必确，流水传质胜传热，感觉很冷未必低，热水温高结冰快。

 

参考博文：

1.     吕喆：流水为何不易结冰？http://bbs.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=111635

2.     李维：流水不易结冰的思考 http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=362400&do=blog&id=412328

3.     智俊启：为什么不冻冰http://blog.sina.com.cn/s/blog_5123553d0100bwu2.html

4.     麻庭光：银烛秋光冷画屏 http://bbs.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=302992&do=blog&id=325192