Узоры на окнах
Автор работы: Романова Анна
8 класс МБОУ СОШ №12
Научный руководитель:
Калуга, 2013
На окнах, сплошь заиндевелых,
Февральский выписал мороз
Сплетенье трав молочно-белых
И серебристо-сонных роз.
Пейзаж тропического лета
Рисует стужа на окне.
Зачем ей розы? Видно, это
Зима тоскует о весне….
Д. Кедрин
Содержание.
1. Введение 3
2. Глава 1 . Обзор литературы 4
3. Глава 2. Значение температуры в комнате и улице для образования узоров 5
4. Глава 3. Расположение узоров на поверхности окна 7
5. Глава 4. Результаты исследования. Почему на пластиковых окнах нет узоров? 8
6. Выводы. 10
7. Заключение 11
8. Список литературы 12
9. Приложения 13
Введение.
Зима у нас длится долго. В природе господствует двухцветная зимняя графика: белое и чёрное. Но нельзя сказать, что нет в это время года ничего красивого, необыкновенного. А зимние, морозные узоры, которые создаёт природа? Это и причудливые рисунки на стёклах, иней на деревьях, инеевые цветы на замерзающих реках и озёрах, сибирская или полярная изморозь.
Писательница 19 века из в одном из своих произведений написала о цветах, расцветающих зимними ночами на окнах. Где же теперь эти волшебные морозные узоры? Сейчас их не увидишь на кухонном окне, только если на даче. А жаль….
Актуальность выбранной темы в том, что существует необходимость разобраться в причинах возникновения морозных узоров на окнах, и выяснить, почему они не появляются на окнах с пластиковыми рамами. Как добиться их появления и, наоборот, как сделать так, чтобы они не появлялись.
Тема в литературе освещена мало и носит только описательный характер, часто встречаются в литературе фотографии морозных узоров, но нет исследований причин их вызывающих.
Цель исследования: Изучение морозных узоров на окнах, мест их расположения, видов и причин их появления.
Задачи исследования:
1. Выяснить какое значение имеет температура в комнате и улице для образования узоров
2. Выяснить в какой части окна располагаются узоры.
3. Выяснить какие факторы влияют на механизм и скорость роста узоров.
4. Выяснить какую роль играют для образования узоров рамы из дерева и пластика
5. Найти причины, по которым узор может образовываться на пластиковых окнах, и как добиться отсутствия узоров на окнах с пластиковыми и деревянными рамами.
Глава 1.
Обзор литературы.
Они так хорошо всем известны и так обычны, что на них почти не обращают внимания и, хотя часто они очень красивы, даже принимают меры, чтобы эти узоры не появлялись на окнах. И хотя они весьма просты по химическому составу, узоры эти отличаются большим разнообразием, своеобразной структурой и часто напоминают формы организмов или их частей. Немцы называют такие узоры «айсблюмен», то есть ледяные цветы. И в самом деле, среди них часты древовидные образования и волокнистые структуры. Наш выдающийся биолог указывал на сходство густо заросшего разнообразными растительными формами клочка земли с фантастическими ландшафтами, которые мороз рисует на окнах: «Во втором случае мы увидим те же травчатые узоры, напоминающие листья папоротника или пальмы, то же бесконечное разнообразие самых причудливых форм... Картины сходные, но как различен строй мыслей, вызываемых той и другой». Сходство с растениями многих морозных узоров действительно удивительное. Один из рисунков квалифицированный ботаник принял за фотографию чертополоха, в других — очевидное сходство с деталью классической коринфской капители, листьями пальмы, корневищем растения с отходящими от него листьями, подобием мхов и лишайников. Попадаются и узоры, состоящие из нитей, часто с параллельными отростками.
Морозные узоры на стекле — это скопление крошечных кристалликов льда. Образуются они из паров воды, которые в небольшом количестве всегда находятся в воздухе. При охлаждение воздуха, содержащего чрезмерное количество влаги, до точки замерзания начинает образовываться иней. Точка замерзания – соответственно ноль градусов Цельсия. При охлаждении воздуха - количество влаги тоже становится меньше. Избыточное содержание воды дает конденсат на оконном стекле. Соответственно, при понижении температуры ниже нуля по Цельсию вода кристаллизуется, иными словами кристаллы льда полностью охватывает поверхность воды.
Зимой в комнате около стёкол воздух сильно охлаждается и не может уже удержать всех паров. Часть водяных паров оседает на стёкла и превращается в кристаллики льда. В первую очередь кристаллики льда образуются на мельчайших неровностях стекла. Тысячи крохотных, незаметных для глаза трещин и бугорков покрывают стёкла. Кристалл стремится вырасти как можно более правильным — это „выгодно“ с точки зрения его внутренней энергии. А любые примеси искажают форму решётки. Поэтому растущий кристалл вытесняет любые посторонние атомы и молекулы, стараясь строить идеальную решетку, пока это возможно. И только когда примесям деваться уже некуда, он начинает встраивать их в свою структуру или оставляет в виде капсул с концентрированной жидкостью. За один кристаллик цепляется другой, а за другой — третий, и вскоре окно сплошь покрывается ледяным узором.
Кристаллики льда чаще соединяются друг с другом своими вершинами. Множество отдельных кристалликов, цепляясь друг за друга то в одном, то в другом направлении, и создают сказочную, ледяную картину, украшающую в морозные дни оконные стёкла.
Точка роста вторичных кристаллов (разветвление кристалла)
Глава 2. Значение температуры в комнате и улице для образования узоров
Морозные узоры представляют собой древовидные образования, еще их называют дендриты и трихиты - формы в виде волокна. Узоры проявляются в виде кристаллизации воды при охлаждении окна от 0 до – 6°C. На поверхности стекла отлагается сплошной слой непрозрачного, рыхлого льда. В дальнейшей кристаллизации отчасти участвуют небольшие неровности и царапины стекла.
При какой температуре начинается охлаждение поверхности окна? Если точка начала охлаждения начинается при положительной температуре и высокой влажности воздуха, то на охлаждающейся поверхности стекла прежде образуется пленка воды, затем при падении температуры ниже нуля закристаллизовывается в виде древовидных образований - дендритов.
Если перепад температур происходит за довольно короткие сроки, например, за ночь, то уже на утро можно увидеть на окне, то от чего появляются морозные узоры, как мы уже говорили - дендритная кристаллизация льда. Дальнейшее охлаждение способствует отложению между дендритами, а затем и на дендритах тонких слоев пушистого льда. Быстрые и значительные по величине переохлаждения дают мелкомасштабную дендритную кристаллизацию. При недостатке влаги на стекле нарушается сплошной характер кристаллизации: дендриты растут островками, их формы менее резко выражены, а размеры уменьшены в сравнении с нормальными условиями.
Если на стекле есть царапины, то на их острых краях образуется второй вид узоров - трихиты. Сначала образуются узкие параллельные кристаллические полоски. При дальнейшем охлаждении "вырисовываются" волокна, отходящие от основного "стебля". Чаще всего и "стебель" и "волокна", отходящие от него, не прямые, а слегка изогнуты.
При охлаждении от 0 до – 6°C и небольшой исходной упругости водяного пара на поверхности оконного стекла отлагается однородный слой непрозрачного, рыхлого льда. Для начального образования тонкого слоя такого льда в качестве затравок кристаллизации известную роль могут играть дефекты структуры поверхности, царапины. Однако в ходе дальнейшего развития процесса эти влияния полностью перекрываются общей картиной осаждения льда по всей охлаждающейся поверхности.
По законам физики, воздух при разной температуре может содержать различное максимальное количество молекул воды,(понятие влажности). При понижении температуры количество влаги в воздухе уменьшается, а избыточная влага конденсируется на более холодных поверхностях (на земле, травинках, стеклах машин и домов) - так образуется роса. Когда же температура в холодные ночи опускается еще ниже, преодолевая точку замерзания воды (т. е. 0°С или 32° по Фаренгейту), вода превращается в лед (кристаллизуется). Так и появляется иней и лед.
Значит, на поверхности холодного стекла конденсируются пары воды из воздуха и далее кристаллизуются, образуя лёд. Другими словами, стекло и слой прилегающего воздуха должны быть достаточно холодными.
Окна - это двойные рамы, в которые вставлены одинарные стёкла. Рамы не герметичные, между ними (и, значит, между стёклами) - обычный комнатный воздух, на холодном стекле идут процессы конденсации влаги и кристаллизации.
Есть и другая причина: старые деревянные окна, как правило «грязнее» пластиковых, то есть на поверхности таких стёкол больше пыли (даже невидимой). Но именно частицы пыли и являются центрами конденсации и кристаллизации воды.
Таким же центром кристаллизации могут быть царапинки и трещинки на поверхности стекла.
При резком похолодании температура окон становится ниже температуры воздуха в помещении. На них и оседают молекулы пара, находящиеся во влажном воздухе в комнате, образуя красивые узоры. При этом тоже очень важно, чтобы воздух в комнате был не очень влажным. В противном случае пар сначала сконденсируется на стекле и затем замерзает, образуя слой льда. Узоры не появляются на окне, если открыта форточка. В этом случае температура воздуха в комнате у стекла понижается, став такой же, как и температура самого стекла. В ледяных узорах, можно увидеть большинство форм, которые могут принимать снежные кристаллы.
Узоры появившиеся при температуре ниже – 30ºС, состоят в основном из снежных кристаллов в форме призматических столбиков длиной около половины миллиметра, мало разветвлены. Узоры выращенные при температуре от - 15º до - 30ºС, состоят из кристаллов в форме призм и пластин. При температуре от - 5ºС до 0ºС, можно встретить кристаллы в виде шестиугольных пластин, коротких призм и поражающих своей красотой звезд, и образуют разветвленные узоры, занимающие большие площади.
Узоры на окнах
Холодный воздух между рамами
Очень холодный воздух на улице
Глава 3. Расположение узоров на поверхности окна
Дендритная кристаллизация на окне обычно начинается снизу стекла, так как в следствии действия силы тяжести там накапливается куда большее количество воды, чем сверху на окне. Именно поэтому в нижней части оконных стекол дендриты обычно более крупные, а чем выше, тем ледяные "веточки" тоньше и мельче. Если же стекло увлажняется при охлаждении равномерно, то есть покрывается более-менее ровной пленкой воды, то "ветки" дендритов примерно одинаковы по величине по всей поверхности стекла.
Глава 4. Результаты исследования. Почему на пластиковых окнах нет узоров?
Используя методы наблюдение и сравнение я пришла к следующим выводам.
Для образования узоров нужны:
-Холодный воздух на улице,
-Стекло с пылью, микротрещинками и царапинами
-Холодный воздух внутри рам или одно стекло в раме.
- Достаточная влажность в комнате.
Значит, в отсутствии морозных узоров на стекле есть причины – невыполнение хотя бы одного из перечисленных условий.
Проведем наблюдения с ситуациями когда устранено 1 из условий и проверим, будут ли образовываться морозные узоры на стекле.
Наблюдение 1 . Недостаточное охлаждение стекла.
Дождавшись потепления на улице, проверяю, узоров на стеклах нет. Это связано с тем, что водяной пар, конденсирующийся на стекле, не кристаллизуется, т. к. стекло не имеет температуру ниже температуры кристаллизации (0º С).
Тщательная теплоизоляция внешнего оконного стекла в местах его соприкосновения с рамой не допускает сильного охлаждения прилежащего изнутри к стеклу слоя воздуха, что также не благоприятствует осаждению льда на внутренней стороне стекла.
Наблюдение 2. Чистое стекло.
Вымыв окна с внутренней стороны с жидкостью для мытья стекол и дождавшись температуры -10º С, замечаю, что узор на окне очень невелик и представляет собой тонкие ленты.
Наблюдение 3.
Если сравнивать площадь узоров на стекле на балконе, где в рамах по 1 стеклу, и в кухне, где в раме 2 стекла, то площадь покрытия узорами стекла гораздо больше на стекле на балконе. Холодный воздух на улице остужает стекло и водяной пар в комнате конденсируется и кристаллизуется. Если же есть второе стекло, то воздушная прослойка между стеклами не дает остынуть внутреннему стеклу до температуры первого стекла из-за хороших теплоизолирующих свойств воздуха.
Наблюдение 4.
Если уменьшить влажность воздуха у поверхности стекла, тогда конденсации воды на нем происходить не будет. Если между рамами окна поставить стаканчик с серной кислотой, основное количество водяного пара из пространства между стеклами поглотится ею, и отложения льда на окне при не очень сильных морозах происходить не будет.
Значит, у пластиковых окон не выполняется одно из условий.
В пластиковые окна вставляют стеклопакеты - два или три стекла, герметично проклеенных. Стеклопакет представляет собой герметичную конструкцию из двух или трех стекол (соответственно однокамерные и двухкамерные стеклопакеты). Между стеклами располагается тонкостенная алюминиевая рамка с перфорацией, заполненная так называемым молекулярным ситом, которое поглощает остаточною влагу и защищает стекла от запотевания, а также несколько линий долговечных уплотнений. В качестве заполнения может использоваться не только осушенный воздух, но и инертный газ аргон это улучшает теплозащитные свойства стеклопакета. Готовый стеклопакет по всему периметру заливается двухкомпонентной тиоколовой мастикой, не дающей попасть внутрь ни влаге, ни пыли.
Для заполнения межстекольного пространства стеклопакета используют инертные газы или их смеси, что существенно улучшает тепло - и звукоизолирующие свойства. В замкнутом пространстве между стеклами может находиться осушенный воздух или инертный газ, например, аргон или криптон.
Поскольку газ имеет более высокую плотность, потери тепла, происходящие за счет конвекции и теплоотдачи внутри стеклопакета, снижаются. Таким образом, теплозащитные характеристики стеклопакета с инертным газом лучше, чем у конструкции, заполненной воздухом.
Вот и получается, что на самом холодном наружном стекле конденсироваться нечему - в камере стеклопакета нет влаги, а на внутреннем (комнатном) стекле узоры не получаются, т. к. оно слишком тёплое. У пластиковых окон термоизоляционные свойства лучше, чем у деревянных окон, поэтому их температура стекла с внутренней стороны выше - следовательно, конденсация с кристаллизацией протекают хуже.
Выводы
В процессе выполнения работы я выяснила, что узоры образуются при большой влажности в помещении, если на улице низкая температура. Для образования узоров нужны: холодный воздух на улице, стекло с пылью, микротрещинками и царапинами, холодный воздух внутри рам или одно стекло в раме, достаточная влажность в комнате.
На пластиковых окнах узоры не образуются из-за хорошей теплоизоляции и герметичности конструкции.
Практическое значение моей работы в следующем. Если на стеклопакетах образуется иней, значит нарушена герметичность конструкции. Перечислю способы устранения инея.
1 способ (и одновременно простой и дешевый). В период сильных морозов можно поставить на подоконник, поближе к стеклу, пару подсвечников с очень медленно горящими свечами. Как правило, это толстые декоративные свечки. Их хватает на десятки часов непрерывного горения и на весь зимний сезон вам понадобится по паре-тройке свечей на окно. И дело тут конечно не в тепле, которое образуется при горении свечи, а в той конвекции воздуха, что создается при этом горении.
2 способ. Можно попробовать сделать конвекционные экраны. Они представляют собой неширокие пластины, которые направляют теплый воздух от радиатора в оконную нишу. Пластина крепится под углом 30-60 градусов под углом к подоконнику, и часть поднимающегося теплого воздуха принудительно направляют к стеклу.
3 способ. Как правило, напольные и настольные вентиляторы работают 3-4 месяца в году, а остальное время просто убраны. Достаточно будет установить самую малую интенсивность обдува и установить вентилятор так, что бы он обдувал сразу несколько окон.
4 способ. В магазинах автокосметики продаются различные аэрозоли - антизапотеватели. Ими обрабатывают стекла автомобилей, что бы те не потели. Ими же можно обработать и квартирные стекла. Для этого стекло необходимо тщательно вымыть и высушить, а затем нанести на него антизапотеватель. Это несколько понижает "точку росы" стекла, но не решает проблему кардинально.
5 способ. Можно, например, наклеить тонкую токопроводящую пленку, фольгу или нихромовую нить по периметру окна и подать на нее низкое напряжение (12-24 V). Она будет прогревать наиболее подверженную промерзанию часть стекла. Т. е. сделать стекло с электрообогревом, как в автомобилях.
Заключение.
Познакомившись с миром кристаллов, понимаешь, что эта область науки интересна и занимательна. Сама природа может задать форму, цвет и многие другие свойства кристаллам. В процессе работы мною были проведены наблюдения за ростом ледяных узоров, подготовлена презентация с фотографиями узоров, выяснила механизм роста кристаллов : сначала на поверхности стекла образуется водяная пленка толщиной в несколько диаметров молекул. Молекулы воды в ней испытывают сильное влияние молекул поверхности стекла. Хотя вода в пленке переохлаждена, но возможности для превращения воды в лед не возникает. По мере увеличения толщины пленки и уменьшения влияния молекул поверхности стекла в воде возникают центры кристаллизации. Рост кристаллов происходит во всевозможных направлениях, но самые большие кристаллы растут вдоль поверхности стекла. Скорости роста кристалла в различных направлениях тоже существенно различаются. Можно повторить, что взаимное влияние соседних и удаленных друг от друга молекул определяет вероятность заселения той или иной «вакансии» в растущем кристалле. С этим, по-видимому, связана форма (степень кривизны) растущих на поверхности стекла ледяных узоров. Когда толщина ледяного панциря на стекле становится настолько большой, что отвод тепла наружу замедляется, кристаллы льда начинают расти в перпендикулярном стеклу направлении. Стекло как бы покрывается шубой из ледяных иголок.
Увидел художник
В морозном окне,
Как бродит олень
По волшебной стране.
В сверкающем воздухе
Птицы парят,
Цветные фонарики
В окнах горят,
А там, где над морем
Клубятся леса,
Воздушный корабль
Развернул паруса -
И вот получилась картина.
Ю. Кушак
Список литературы
Загадки простой воды. М.: Знание. 1973 Снежинки и ледяные узоры на стекле // Квант. — 2002.— № 5. — С. 29-30. Громов : Школьная энциклопедия. – М.:Дрофа, 1999. – 336 с.: ил. Стихи // Весёлые картинки.- 1981.-№11. Иллюстрированная энциклопедия - АСТ, 2007 г – 320 с.: ил. , , .- Просвещение, 2003г. www. *****/kvartira/kvartira3.html www. *****\ http://www. metafysica. nl/ontology/general_ontology_29hПриложения
Рисунок 1 Дендриты
Рисунок 2 Трихиты
Рисунок 3 . Внизу узоров больше, чем вверху окна
Рисунок 4. Стеклопакет
Многообразие узоров на окнах
