Olen joskus tehnyt oheisen mietiskelmän putkien ja kaivojen jäätymisistä
Kommentteja?
Lämpö ja kylmä
Termodynamiikan mukaan kylmää ei ole olemassakaan, on vain lämpöä, enemmän tai vähemmän.
Absoluuttisessa 0-pisteessä -273 C ei ole enää lämpöä.
Kun lämpöä on vähemmän, sanotaan kansanomaisesti että on kylmää.
Lämpö siirtyy aina lämpimästä kohti vähemmän lämmintä (kylmää).
Jäätyminen
+4 C lämpötilassa veden tiheys on suurimmillaan, lämpötilan laskiessa tästä alaspäin alkaa vesi siirtyä kohti jään kidemuotoa, tiheys pienenee ja tilavuus kasvaa.
0 C lämpötilassa vesi jäätyy ja tilavuus kasvaa n. 10 % .
Lämpölaajenemiskertoimia
- Jää 5,4*10-5/C
- Rauta 1,2*10-5/C
- Kupari 1,7 *10-5/C
Vesiputken jäätyminen
Putken lämpötilan laskettua 0 C:een tai sen alapuolelle, alkaa putkessa oleva vesi jäätyä.
Jäätä muodostuu putken seinämälle ja siitä edelleen kerroksittain kohti putken keskustaa. Vaikka jään tilavuus on 10% suurempi kuin jäätyneen veden ei jää aiheuta mitään voimia putken seinämään ”avoimessa” putkistossa (normaali vesijohtoverkko), koska jään lisääntyneen tilavuuden syrjäyttämä vesi pakenee viime kädessä esim. vesitorniin.
Kun vesi loukkuuntuu esim. kahden jäätulpan tai jäätulpan ja kraanan väliin ja tämä loukkuuntunut vesi jäätyy, nousee loukkuuntuneen veden paine voimakkaasti ja mahdollistaa putken vaurioitumisen.
Vuoto tulee ilmi vasta sään lauhtuessa ja jäätulpan sulaessa, kun vesi pääsee sulaneen jäätulpan ohi rikkoutuneeseen putkeen.
Väite: ”Sään lämmetessä lämpenevä jää laajenee ja rikkoo putken”
Jään lämpölaajenemiskerroin on n. kolme kertaa suurempi kuin kuparilla ja n. viisinkertainen verrattuna rautaan.
Kun putkeen on muodostunut jäätulppa, on sen lämpötila n. 0 C. Oletetaan, että putki ja tulppa jäähtyvät -10 C:een lämpötilaan. Koska jäällä on suurempi lämpölaajenemiskerroin kuin metallilla, kutistuu jää enemmän kuin putki ja putken ja jään väliin tulee rako. Sään, putken ja jään lämmetessä tämä rako menee vain kiinni eikä putkeen kohdistu mitään voimia.
Jos tämä rako täyttyy vedellä ja jäätyy, aiheutuu lämpötilan noustessa laajenevasta jäästä voimia putken seinämään.
Lasketaan mitä tapahtuu kun 22 mm kupariputki ja siinä oleva jäätulppa lämpiävät -10 C -> 0 C.
- Jää laajenee 5,4*10-5*10*20 = 0,011 mm
- Kupari laajenee 1,7*10-5*10*20 = 0,003 mm
Erotus on 0,008 mm
Eeli lämmennyt jää venyttää kupariputken halkaisijaa 0,008 mm ja tämän kupariputki taatusti kestää.
Energiakaivo
Edellisen perusteella yksi yhtenäinen jäätulppa ei rutista keruuputkia. Poikkeuksena ns. kuivakaivo, jossa jäätulpan loukkuunnuttama vesi ei pääse pakenemaan kallion halkeamiin.
Jos kahden jäätulpan välissä on ehjää kalliota, niin tässä tapauksessa jäätymisen edetessä loukkuuntuneen veden lisääntynyt tilavuus rutistaa keruuputkia.
Suurimmassa osassa kaivon jäätyminen ei aiheuta ongelmia.
Väite ”Virtaava vesi ei jäädy”
Vesi jäätyy yleensä kun lämpötila laskee 0 C:een.
Myös virtaava vesi jäätyy kun sen lämpötila laskee 0 C:een.
Virtaava vesi ei jäädy niin helposti, koska virtaus tuo jäätymisherkkään kohtaan lämpimämpää vettä esim. syvällä lämpimämmässä maassa olevista putkiston osista.
Väite: ”Seinän sisällä oleva putki jäätyy vasta kun ilma lämpenee”
Jos sisällä on +20 C ja ulkona -20 C ja seinä on tasalaatuinen, on nollalämpötila piste keskellä seinää. Jos seinässä on kerroksia erilaisista lämpöeristeistä, on nollapiste jossain muualla kun keskellä seinää.
On tuo nollapiste missä kohtaa tahansa, se ei ainakaan siirry sisälle päin ulkolämpötilan lämmetessä.
ATS
