На сколько увеличивается объем воды при замерзании: Тает лёд: Физика льда

Расширение воды при замерзании.

нагретого пламени, а во втором—то же самое количество теплоты исходит от сравнительно холодного железа.

Опыты показали, что никакой разницы в обоих случаях не существует, а потому теплота, рассматриваемая по отношению к ее способности нагревать тела и изменять их состояние, есть количество, подлежащее точному измерению, и не может представлять качественных отличий.

К. Максуэлл. „Теория теплоты», %1883.

Расширение воды при замерзании.

Начиная с 4°Ц. до самой точки замерзания, вода при охлаждении расширяется, а когда она превращается в лед, расширение ее совершается быстро и внезапно. Лед, как известно, плавает на воде, потому что, вследствие расширения, он становится легче ее.

Сила, с которою происходит эт*о расширение воды при замерзании, огромна. Чтобы составить себе понятие об этой напряженности, сделаем опыт: вода наливается в железный сосуд, стенки которого имеют полдюйма толщины.ерем и другой такой же сосуд. Погрузим оба сосуда в охлаждающую смесь. Они постепенно охладевают, вода внутри них доходит до своей точки наибольшей плотности, и без сомнения в этот момент не совершенно наполняет бутылки, а оставляет внутри небольшую пустоту. Но скоро сжатие воды прекращается, наступает расширение; пустота медленно заполняется; вода постепенно переходит из жидкого состояния hтвердое, причем объем ее увеличивается, и этому увеличению объема сопротивляются стенки железного сосуда. Но их сопротивление бессильно перед молекулярными силами: молекулы—это замаскированные гиганты. Раздается треск: бутылка разрывается кристаллизующимися частицами; то же происходит и с другою бутылкой.

В другом опыте с громким взрывом лопались толстые стенки артиллерийской бомбы: бомба была наполнена водою, туго завинчена и поставлена в кадку с охлаждающей смесью. При выполнении этого опыта надо покрывать кадку толстым холстом: когда я не делал этого, обломки бомбы подбрасывало под потолок.

Теперь вам понятно действие мороза на водопроводные трубы в домах. Обычно думают, что разрыв труб происходит во время таяния льда в трубах *), но на самом деле это происходит во время замерзания:

*) Вследствие дурной теплопроводности стен и почвы, холод весьма медленно про­ никает через них и достигает водопроводных труб в домах (особенно в подвалах) с зна­ чительным опозданием—нередко лишь тогда, когда вне здания успела уже после морозов наступить оттепель; в этом, по всей вероятности, и следует видеть причину распространен­ ного заблуждения, будто водопроводные трубы лопаются не в мороз, а в оттепель, т.-е. не от замерзания воды, а от таяния льда.— Сост.

Невероятная сила замёрзшей воды

Описание

В данном опыте, мы заполнили специальную железную ёмкость обычной водой (температура воды — 7-9 ^оС ). Сверху, ёмкость прикрыли подвижной крышкой специальной формы. Поверх крышечки мы поместили железный стрежень, который плотно прижали к крышке. Далее мы поместили нашу конструкцию в ёмкость, которую заполнили смесью льда и соли (это необходимо для того, чтобы понизить температуру в ёмкости).

Через некоторое время вода внутри железной ёмкости замёрзла. Образовавшийся лёд начал давить на крышечку, которая передала давление на железный стержень. В определённый момент это давление стало настолько велико, что стержень не выдержал и лопнул (переломился напополам).

Объяснение

Ни для кого не секрет, что все тела при нагревание расширяются, а при охлаждении сжимаются. Это явление называется тепловым расширением тел. Тепловое расширение тел может привести к деформации и даже разрушению целых домов, если при строительстве забыть о том, что летом дом будет расширятся, а зимой — сжиматься.  Именно поэтому, при строительстве, стараются использовать материалы с одинаковыми показателями теплового расширения.

Тепловое расширение виновато ещё и в том, что тела обладают наибольшей плотностью в твёрдом состоянии  и меньшей — в жидком. Это правило действует почти для всех веществ на земле. Но есть вещества, которые ведут себя наоборот — при нагревании сжимаются, а при охлаждении расширяются. Именно к таким вещества и относиться вода!

Наибольшую плотность, вода приобретает при температуры в 4 ^оС. Если продолжать охлаждать воду, то её плотность будет не расти, а падать, а сама вода начнёт увеличивать свой объём! Плотность льда составляет 9/10 от плотности воды, а это значит, что при замерзании объём воды увеличивается примерно на 1/10 от первоначального.

Замерзая, лёд способен нанести огромные разрушения на пути своего расширения. Трещины в трубах, зданиях и дорогах, разрывы труб — всё это последствия образования льда в ненужных местах (в трещинах зданий и дорог, и на стыках труб).

Это интересно

Именно благодаря аномальному свойству воды расширятся при понижении температуры, существует жизнь на нашей планете: лёд, являясь менее плотным и лёгким, чем вода всегда образовывается на поверхность водоёмов. В тоже время, на дне водоёмов даже в самый лютый мороз, сохраняется «плюсовая температура» (4 ^оС), так как вода при такой температуре обладает наибольшей плотностью. Это позволяет водоёмам не промерзать до дна и сохранять в себе жизнь в холодные зимние месяцы.

Качественный антифриз – гарантия безопасной работы вашего автомобиля

Под антифризом понимают охлаждающую жидкость, необходимую для функционирования двигателя автомобиля. Антифриз позволяет охладить до нужно температуры конструктивные узлы двигателя авто, предотвратив их деформацию и выход из строя. До изобретения антифриза в качестве охлаждающей жидкости использовалась обыкновенная вода, но вода, циркулирующая в охлаждающем контуре, имела свойство замерзать, а при замерзании вода увеличивается в объеме. Расширение воды при замерзании часто приводило к разрыву элементов двигателя, а при использовании антифриза риск возникновения такой проблемы сведен к нулю.

По сравнению с чистой водой охлаждающая жидкость имеет
гораздо более низкую температуру замерзания, и при минусовых значениях
температур объемного расширения охлаждающей жидкости не происходит. Конечно,
физические антифриза свойства при охлаждении меняются – раствор приобретает
более густую, даже кашеобразную консистенцию, но такое изменение не несет
угрозы системе охлаждения двигателя, но все же препятствует нормальной работе
мотора.

Следовательно, температура замерзания охлаждающей жидкости
является одним из важнейших параметров, определяющих ее качество

Что входит в состав охлаждающей
жидкости?

Двумя основными компонентами жидкости, используемой в
качестве рабочей среды охлаждающей системы автомобиля, являются вода и
этиленгликоль. Для улучшения эксплуатационных характеристик раствора в его состав
вводят пакет присадок. Добавка дополнительных компонентов позволяет замедлить
процесс коррозии, минимизировать процессы кавитации, подавить вспенивание
состава, улучшив таким образом потребительские свойства конечного продукта.

Выбор этиленгликоля в качестве базовой составляющей
антифриза обусловлен свойствами этого вещества: этиленгликоль имеет гораздо
более низкую, по сравнению с водой, температуру замерзания, а также – более
высокую температуру закипания. Таким образом, по сравнению с водой антифриз
является более универсальной охлаждающей жидкостью, и может использоваться в
более широком диапазоне температур.

Как оценить качество
антифриза?

Существует несколько параметров, по которым определяют
качество каждого вида антифриза. Эксперты оценивают эксплуатационные
возможности охлаждающей жидкости по следующим критериям:

• Плотность, которая оказывает непосредственное
  влияние на температуру кристаллизации;
• Эффективность действия антивспенивателя;
• Уровень щелочности раствора.

Если сравнить несколько видов антифриза, то лучшим по
рабочим характеристикам будет признан тот, который обладает максимальным
значением указанных параметров. Проверить качество любого антифриза можно в
аккредитованной испытательной лаборатории: если качество охлаждающей жидкости
вызывает у вас сомнения, то после получения результатов оценки экспертов вы
сможете решить – использовать ли выбранную марку антифриза, или стоит поискать
ему замену. Если качество антифриза эксперты признают удовлетворительным, то его
можно использовать без ущерба для системы охлаждения двигателя
транспортного средства.

Влияет ли цвет на
качество антифриза?

Однозначный ответ на этот вопрос – нет, никак не влияет.
Цвет охлаждающей жидкости служит неким идентификатором конкретной технической
жидкости, и является средством маркетинга: на полках магазина антифриз
привычной для вас марки вы узнаете даже по цвету. Кроме того, окрашивание этого
продукта применяют для того, чтобы потребители не спутали антифриз с другими
техническими жидкостями. Такое решение позволяет предотвратить нецелевое
использование средства, и снижает риск для здоровья автомобилистов и их имущества.

При использовании антифриза стоит обращать внимание на цвет раствора: если во время эксплуатации охлаждающая жидкость теряет свой первоначальный цвет, то это служит сигналом для ее замены. Дело в том, что антифриз имеет свойство выработки ресурса – раствор утрачивает свои свойства, и охлаждает двигатель не так эффективно.

Можно ли использовать
дешевый антифриз незнакомых марок?

Российский рынок наводнен огромным количеством автохимии
неизвестного производства. Антифриз, продаваемый по низкой цене, часто имеет
эффектную упаковку, броскую этикетку, приятный цвет – все это привлекает
потребителей. Однако многочисленные проверки качества такого антифриза
показывают, что его использование небезопасно, и может иметь печальные
последствия для автовладельца. Техническая жидкость, которую многие
производители выдают за антифриз, производится из низкосортного сырья, а ее
качество никак не контролируется. Раствор изготавливают рабочие, не имеющие
специального образования, а компоненты антифриза часто отмеряют «на глаз».
Понятно, что готовый антифриз от таких «производителей» не соответствует
требованиям, предъявляемым к продуктам данной категории.

Как купить качественную
охлаждающую жидкость?

Если вы не хотите подвергать риску свой автомобиль и
собственное здоровье, используйте антифриз только от надежных, проверенных
компаний. Качественную охлаждающую жидкость выпускают стабильно функционирующие
предприятия, имеющие собственную производственную базу, и использующие в
производстве только сертифицированное сырье. На таких предприятиях все
технологические процессы отлажены, а качество продукции контролируется на
каждом этапе ее производства.

Антифриз, выпущенный в заводских условиях, обязательно имеет
полный комплект документов, из которых можно узнать:

• Происхождение продукта;
• Рекомендации к использованию;
• Соответствие требованиям безопасности;
• Соответствие рекомендациям производителя ТС.

Сейчас на рынке можно найти качественный антифриз
отечественного производства – российский продукт нисколько не уступает
зарубежным аналогам, а часто – даже превосходит их по потребительским
свойствам. К тому же, цена отечественного антифриза гораздо ниже, что также
является решающим фактором при выборе охлаждающей жидкости. Большой расход
антифриза при эксплуатации транспортного средства заставляет автомобилистов
искать более дешевую автохимию, и в этом случае продукт российского
производства станет оптимальным выбором, и поможет вам сэкономить.

Антифризы SINTEC – проверенное качество по доступной цене!

Лучшим продуктом по соотношению цены и качества много лет
подряд признается антифриз торговой марки SINTEC. Различные виды антифриза выпускаются на заводе, где
многоступенчатый контроль качества на производстве является гарантией отличных
эксплуатационных характеристик готового продукта. Охлаждающие жидкости SINTEC пользуются стабильно
высоким спросом у покупателей: антифриз фасуется в тару различного объема, его
удобно хранить и использовать. Мы предлагаем покупателям как полностью готовый
к использованию продукт, так и раствор в виде концентрата – перед применением
достаточно разбавить дистиллированной водой.

Помните, что использование качественного антифриза
гарантирует бесперебойную работу двигателя автомобиля, способствуя сохранению
его паспортного ресурса. Приобретайте охлаждающую жидкость с учетом
климатических особенностей вашего региона, и не забывайте вовремя менять
техническую жидкость!

#Обзоры антифризов#Советы от специалистов

Вам также может быть интересно

Предложена новая теория, объясняющая, почему вода при нагревании от 0 до 4°C сжимается

Японский физик Масакадзу Мацумото выдвинул теорию, которая объясняет, почему вода при нагревании от 0 до 4°C сжимается, вместо того чтобы расширяться. Согласно его модели, вода содержит микрообразования — «витриты», представляющие собой выпуклые пустотелые многогранники, в вершинах которых находятся молекулы воды, а ребрами служат водородные связи. При повышении температуры конкурируют между собой два явления: удлинение водородных связей между молекулами воды и деформация витритов, приводящая к уменьшению их полостей. В диапазоне температур от 0 до 3,98°C последнее явление доминирует над эффектом удлинения водородных связей, что в итоге и дает наблюдаемое сжатие воды. Экспериментального подтверждения модели Мацумото пока что нет — впрочем, как и других теорий, объясняющих сжатие воды.

В отличие от подавляющего большинства веществ, вода при нагревании способна уменьшать свой объем (рис. 1), то есть обладает отрицательным коэффициентом теплового расширения. Впрочем, речь идет не обо всём температурном интервале, где вода существует в жидком состоянии, а лишь об узком участке  — от 0°C примерно до 4°C. При больших температурах вода, как и другие вещества, расширяется.

Между прочим, вода — не единственное вещество, имеющее свойство сжиматься при увеличении температуры (или расширяться при охлаждении). Подобным поведением могут «похвастать» еще висмут, галлий, кремний и сурьма. Тем не менее, в силу своей более сложной внутренней структуры, а также распространенности и важности в разнообразных процессах, именно вода приковывает внимание ученых (см. Продолжается изучение структуры воды, «Элементы», 09.10.2006).

Некоторое время назад общепринятой теорией, отвечающей на вопрос, почему вода увеличивает свой объем при понижении температуры (рис. 1), была модель смеси двух компонент — «нормальной» и «льдоподобной». Впервые эта теория была предложена в XIX веке Гарольдом Витингом и позднее была развита и усовершенствована многими учеными. Сравнительно недавно в рамках обнаруженного полиморфизма воды теория Витинга была переосмыслена. Отныне считается, что в переохлажденной воде существует два типа льдообразных нанодоменов: области, похожие на аморфный лед высокой и низкой плотности. Нагревание переохлажденной воды приводит к плавлению этих наноструктур и к появлению двух видов воды: с большей и меньшей плотностью. Хитрая температурная конкуренция между двумя «сортами» образовавшейся воды и порождает немонотонную зависимость плотности от температуры. Однако пока эта теория не подтверждена экспериментально.

С приведенным объяснением нужно быть осторожным. Не случайно здесь говорится лишь о структурах, которые напоминают аморфный лед. Дело в том, что наноскопические области аморфного льда и его макроскопические аналоги обладают разными физическими параметрами.

Японский физик Масакадзу Мацумото решил найти объяснение обсуждаемого здесь эффекта «с нуля», отбросив теорию двухкомпонентной смеси. Используя компьютерное моделирование, он рассмотрел физические свойства воды в широком диапазоне температур — от 200 до 360 К при нулевом давлении, чтобы в молекулярном масштабе выяснить истинные причины расширения воды при ее охлаждении. Его статья в журнале Physical Review Letters так и называется: Why Does Water Expand When It Cools? («Почему вода при охлаждении расширяется?»).

Изначально автор статьи задался вопросом: что влияет на коэффициент теплового расширения воды? Мацумото считает, что для этого достаточно выяснить влияние всего трех факторов: 1) изменения длины водородных связей между молекулами воды, 2) топологического индекса — числа связей на одну молекулу воды и 3) отклонения величины угла между связями от равновесного значения (углового искажения).

Перед тем как рассказать о результатах, полученных японским физиком, сделаем важные замечания и разъяснения по поводу вышеупомянутых трех факторов. Прежде всего, привычная химическая формула воды H₂O соответствует лишь парообразному ее состоянию. В жидкой форме молекулы воды посредством водородной связи объединяются в группы (H₂O)_x, где x — количество молекул. Наиболее энергетически выгодно объединение из пяти молекул воды (x = 5) с четырьмя водородными связями, в котором связи образуют равновесный, так называемый тетраэдральный угол, равный 109,47 градуса (см. рис. 2).

Проанализировав зависимость длины водородной связи между молекулами воды от температуры, Мацумото пришел к ожидаемому выводу: рост температуры рождает линейное удлинение водородных связей. А это, в свою очередь, приводит к увеличению объема воды, то есть к ее расширению. Сей факт противоречит наблюдаемым результатам, поэтому далее он рассмотрел влияние второго фактора. Как коэффициент теплового расширения зависит от топологического индекса?

Компьютерное моделирование дало следующий результат. При низких температурах наибольший объем воды в процентном отношении занимают кластеры воды, у которых на одну молекулу приходится 4 водородных связи (топологический индекс равен 4). Повышение температуры вызывает уменьшение количества ассоциатов с индексом 4, но при этом начинает возрастать число кластеров с индексами 3 и 5. Проведя численные расчеты, Мацумото обнаружил, что локальный объем кластеров с топологическим индексом 4 с повышением температуры практически не меняется, а изменение суммарного объема ассоциатов с индексами 3 и 5 при любой температуре взаимно компенсирует друг друга. Следовательно, изменение температуры не меняет общий объем воды, а значит, и топологический индекс никакого воздействия на сжатие воды при ее нагревании не оказывает.

Остается выяснить влияние углового искажения водородных связей. И вот здесь начинается самое интересное и важное. Как было сказано выше, молекулы воды стремятся объединиться так, чтобы угол между водородными связями был тетраэдральным. Однако тепловые колебания молекул воды и взаимодействия с другими молекулами, не входящими в кластер, не дают им этого сделать, отклоняя величину угла водородной связи от равновесного значения 109,47 градуса. Чтобы как-то количественно охарактеризовать этот процесс угловой деформации, Мацумото с коллегами, основываясь на своей предыдущей работе Topological building blocks of hydrogen bond network in water, опубликованной в 2007 году в Journal of Chemical Physics, выдвинули гипотезу о существовании в воде трехмерных микроструктур, напоминающих выпуклые полые многогранники. Позднее, в следующих публикациях, такие микроструктуры они назвали витритами (рис. 3). В них вершинами являются молекулы воды, роль ребер играют водородные связи, а угол между водородными связями — это угол между ребрами в витрите.

Согласно теории Мацумото, существует огромное разнообразие форм витритов, которые, как мозаичные элементы, составляют большую часть структуры воды и которые при этом равномерно заполняют весь ее объем.

Молекулы воды стремятся создать в витритах тетраэдральные углы, поскольку витриты должны обладать минимально возможной энергией. Однако из-за тепловых движений и локальных взаимодействий с другими витритами некоторые микроструктуры не обладают геометрией с тетраэдральными углами (или углами, близкими к этому значению). Они принимают такие структурно неравновесные конфигурации (не являющиеся для них самыми выгодными с энергетической точки зрения), которые позволяют всему «семейству» витритов в целом получить наименьшее значение энергии среди возможных. Такие витриты, то есть витриты, которые как бы приносят себя в жертву «общим энергетическим интересам», называются фрустрированными. Если у нефрустрированных витритов объем полости максимален при данной температуре, то фрустрированные витриты, напротив, обладают минимально возможным объемом.

Компьютерное моделирование, проведенное Мацумото, показало, что средний объем полостей витритов с ростом температуры линейным образом уменьшается. При этом фрустрированные витриты значительно уменьшают свой объем, тогда как объем полости нефрустрированных витритов почти не меняется.

Итак, сжатие воды при увеличении температуры вызвано двумя конкурирующими эффектами — удлинением водородных связей, которое приводит к увеличению объема воды, и уменьшением объема полостей фрустрированных витритов. На температурном отрезке от от 0 до 4°C последнее явление, как показали расчеты, преобладает, что в итоге и приводит к наблюдаемому сжатию воды при повышении температуры.

Осталось дождаться экспериментального подтверждения существования витритов и такого их поведения. Но это, увы, очень непростая задача.

Источник: Masakazu Matsumoto. Why Does Water Expand When It Cools? // Phys. Rev. Lett. 103, 017801 (2009).

Юрий Ерин

Типичные ошибки при устройстве фундамента УШП — ТЕХНОНИКОЛЬ

Помимо наличия системы обогрева и полностью готового к отделке пола первого этажа, отличительная особенность технологии состоит также в том, что основание плиты составляет специально разработанный для этой системы высокопрочный утеплитель из экструзионного пенополистирола. Обогрев пола в союзе с качественным утеплением позволяет и вовсе обойтись без радиаторного отопления на первом этаже.

Достоинств у УШП много: это и скорость возведения, и универсальность (подходит практически для всех типов грунтов), и высокая тепловая инерционность. Но, пожалуй, одно из главных преимуществ фундамента, достигаемое за счет применения современного теплоизоляционного материала в конструкции, – его энергоэффективность. Потери тепла через Утепленную шведскую плиту минимальны, а способность накапливать тепло за время эксплуатации и вовсе позволяет не переживать даже в случае аварийного отключения отопления зимой.

Технология, появившаяся в США в 30-е годы прошлого столетия, в России только недавно отметила 10-летний юбилей. Недостаток опыта отечественных строителей иногда становится причиной ошибок при строительстве УШП.

Все начинается с основы

Строительство УШП, как, впрочем, и любого другого фундамента, заключается в грамотной подготовке основания. В случае с Утепленной шведской плитой оно должно быть ровным. Сложный рельеф и ландшафт с перепадами высот уже служат противопоказанием для строительства УШП.

После того как строители убедились, что участок подходит указанным требованиям, нужно приступить к выемке грунта. Этот этап некоторые считают несущественным и очень часто пренебрегают им, закладывая в свой фундамент мину замедленного действия. Плохая подготовка основы рано или поздно скажется на несущей способности фундамента.

Выемка грунта производится на 30–40 см, после чего котлован послойно засыпается щебнем и песком. При этом важно каждый слой отдельно пролить водой и протрамбовать виброплитой. А можно не трамбовать и не проливать? Здесь ответ звучит категорично: «Нет». Притоптать ногами, оставить на некоторое время под открытым небом, чтобы песок смочился дождевой водой и утрамбовался под собственным весом, – все это решения, в которых заложен максимальный риск потери прочности будущего плитного фундамента. Залог долговечности УШП – прочное основание.

Зачем УШП дренаж

Еще одна популярная ошибка при возведении УШП – отказ от дренажа. А между тем он выполняет очень важную функцию – отводит излишнюю воду от фундамента. В противном случае скопившаяся вода при замерзании и оттаивании будет то увеличиваться, то уменьшаться в объеме, вызывая тем самым подвижки грунта. А это в свою очередь вполне может стать причиной деформаций самого фундамента. Важно не пренебрегать дренажной системой независимо от типа грунта и уровня грунтовых вод.

Технология строительства УШП подразумевает не только устройство дренажа, но и наличие утепленной отмостки вокруг дома. В комплексе эти меры отводят воду от фундамента и служат хорошей профилактикой против воздействия сил морозного пучения.

Теплоизоляция любит счет

Расчет толщины теплоизоляционного слоя – один из самых важных этапов строительства УШП. Иногда по незнанию или в попытках сэкономить строители уменьшают толщину материала. В этом вопросе важно понимать, что наличие теплоизоляционного слоя связано не только с теплотехникой. Дело в том, что двуслойная укладка плит утеплителя позволяет, во-первых, уменьшить толщину железобетонной плиты, а значит, сократить расход бетонной смеси для ее возведения, а во-вторых, сформировать структуру фундамента. Именно с их помощью формируется конструкция, напоминающая перевернутый стакан, – с армированной лентой по периметру и армированной плитой сверху.

Уменьшение теплоизоляционного слоя просто не позволит справиться с данной задачей. Кроме того, благодаря плитам теплоизоляции весь тепловой поток уходит в помещение, а не в грунт.

Правила выбора утеплителя для УШП

При выборе теплоизоляции для УШП в первую очередь стоит обращать внимание на показатель прочности на сжатие. Учитывая, что утеплитель будет подвергаться колоссальным нагрузкам, он должен сохранить форму и свойства в течение всего срока эксплуатации. Материал, уложенный в ребрах жесткости, испытывает давление от самого фундамента и несущих конструкций дома.

В большинстве случаев для утепления УШП используется XPS (экструзионный пенополистирол). Это прочный материал с низким коэффициентом теплопроводности, устойчив к агрессивным средам, не боится воды. Практически нулевое водопоглощение принципиально важно, поскольку материал в течение всего срока эксплуатации находится под нагрузкой во влажных условиях. Не будем забывать, что утеплитель в конструктиве УШП укладывается непосредственно на грунт, а поверх него монтируется бетонная плита, которая также имеет определенную влагу.

Но и экструзионный пенополистирол в зависимости от сферы применения обладает разными прочностными характеристиками. Тот, что активно применяется для утепления полов, не подойдет в качестве теплоизоляции УШП. Существуют специальные марки, разработанные для применения в условиях повышенных нагрузок. Пример – XPS CARBON ECO SP. Он имеет особо высокую прочность на сжатие 400 кПа при 10 % деформации и 200 кПа при 2 % деформации.

Таким образом, ошибочный выбор утеплителя влечет за собой несколько серьезных проблем. Первая из них – это потеря теплоизоляционных свойств из-за намокания, это в том случае, если выбран материал, способный впитывать влагу. И вторая проблема связана с разрушением утеплителя, если его прочность оказалась ниже той, что требует технология.

Мостики холода – как не допустить при укладке утеплителя

Теплоизоляционный слой при устройстве УШП должен быть максимально однородным. Казалось бы, очевидный факт. Тем более что все для этого предусмотрено: материал с низким коэффициентом теплопроводности, монтаж в два слоя. Но тут важно помнить, что плиты XPS укладываются с разбежкой швов, именно такой способ повышает однородность теплоизоляции. В противном случае стыки станут пусть и небольшими, но все же мостиками холода. А вот при монтаже L – блоков перекрытие стыков осуществляется за счет L-кромок.

Плиты на замок

Также стоит обратить внимание на формирование L-блоков. Фактически L-блок – это утепленная несъемная опалубка. Соответственно, его необходимо делать из материала высокой прочности, монтировать так, чтобы избежать образования щелей. В противном случае при укладке бетона раствор начнет просачиваться через образовавшиеся зазоры. Если щель все же образовалась, то ее нужно устранить, например, при помощи клей-пены для экструзионного пенополистирола. L – блоки в обязательном порядке должны скрепляться специальными угловыми крепежами, поскольку это зоны, испытывающие дополнительную нагрузку. Иначе в процессе укладки бетонной смеси они вполне могут потерять проектное положение.

Еще немного о нюансах

Процесс устройства УШП соткан из деталей. Как и в любой стройке, каждая из них вносит свою лепту в обеспечение долговечности всей конструкции. Нужно помнить, что укладка бетонной смеси и работа с клей-пеной возможны только при положительных температурах.

Есть и другие детали, о которых следует помнить. Так, например, при укладке арматуры важно вязать ее на земле, а затем при переносе на слой из XPS устанавливать на специальные подставки, известные в профессиональной среде как «стульчики». Еще один важный нюанс касается укладки бетонной смеси – ее необходимо вибрировать, а также осуществлять по всей площади фундамента (не допускается частичная укладка в разное время), чтобы избежать холодных швов. Вибрирование позволяет улучшить прочностные показатели бетона за счет того, что устраняются лишние пузырьки воздуха.

УШП – один из самых энергоэффективных фундаментов. Внимание к деталям и правилам позволит в короткие возвести фундамент, который на долгие годы станет прочной и энергоэффективной опорой.

Ледяные накопители тепла: широкое применение

Тепловой насос с ледовым аккумулятором как альтернатива традиционным грунтовым зондам и грунтовым коллекторам имеет широкие перспективы использования для отопления и охлаждения в жилищном и гражданском строительстве

Источники тепла для тепловых насосов

Принцип действия тепловых насосов уже общеизвестный. Если коротко: тепловые насосы (ТН) используют энергию окружающей среды с низкой температурой и через процесс обратного холодильного цикла переводят ее на тепло с более высоким уровнем температуры, достаточной для работы системы отопления или для нагрева горячей воды.

Почву и грунтовые воды является классическим надежным источником первичной энергии для теплового насоса. Температура из этих источников относительно стабильна в течение года, обеспечивает постоянную высокую эффективность работы ТН. Для использования энергии земли обустраивают грунтовые коллекторы или грунтовые зонды; для использования энергии из воды необходимые водяные скважины. Для установки тепловых насосов «почва-вода» или «грунтовые воды-вода» необходимо выполнить значительный объем земляных работ, требует больших затрат в зависимости от местных условий. Такие подземные работы, что наиболее важно, подлежат согласованию с местными надзорными органами, а иногда это просто невозможно (городская застройка с подземной инфраструктурой или особые геологические обстоятельства).

Наружный воздух в качестве источника тепла является наиболее доступным. В системах отопления и охлаждения с тепловыми насосами «воздух — вода» или «воздух-воздух» нет необходимости в земляных работах, также они просты в монтаже. Но они менее эффективны по сравнению с тепловыми насосами «почва-вода» или «вода-вода», поскольку мощность и эффективность работы ТН «воздух-вода» значительно уменьшается при снижении температуры наружного воздуха. Такие системы обычно требуют использования дополнительного источника тепловой энергии (газовый или электрический котел), которое будет включаться в работу при критически низких температурах наружного воздуха и, соответственно, при максимальной потребности в тепловой энергии.

Альтернативные схемы тепловых насосов

Поскольку тепловые насосы используются для отопления домов, производители и научно-исследовательские институты всегда ищут новые способы оптимизации источников энергии, снижение инвестиционных затрат и повышения эффективности систем на основе тепловых насосив.Це включая и попытки использования солнечной энергии непосредственно в тепловых насосах. Это собственно не новая идея. Незастекленные солнечные коллекторы как источник первичного тепла использовались для тепловых насосов «рассол-вода» еще с 1970-х годов.

Однако эти решения не были очень эффективными, поскольку поступления солнечной энергии в течение отопительного периода является очень низким.

Эффективным вариантом выглядит комбинация с использованием обоих видов энергии — солнца и земли. Для этого на рынке существуют различные решения, но они делают невозможным контролируемое хранение и накопление солнечного тепла. Варианты с аккумулированием солнечного тепла в течение солнечных летних месяцев в грунтовых зондах практически не используются, поскольку они очень зависят от геологических условий. Как только грунтовые зонды пересекают подземные водные слои, то тепло из них теряется через поток подземных вод.

Альтернативой грунтовым зондам, грунтовым коллекторам или бурению скважин являются массивные поглотители и так называемые энергетические ограждения.

Массивные поглотители — это бетонные сегменты, в которых циркуляционные трубопроводы расположены в виде регистров. Бетонные сегменты должны иметь определенную тепловую емкость за счет своей массы. Энергетические ограждения — это простые регистры труб без теплоизоляционной обшивки. Оба типа теплообменников монтируются таким образом, чтобы примерно треть их поверхности находилась под землей и примерно две трети располагались над земной поверхностью. Наземная часть работает как поглотитель тепла от окружающего воздуха и солнечной радиации, подземная часть поглощает геотермальную энергию. Для эффективной работы системы в холодные зимние дни без значительного поступления солнечной энергии, достаточно большая часть поверхности теплообменника должна обладать способностью поглощать тепло из почвы. Однако это невозможно из-за ограниченной поверхность теплообменника, углубленную в грунт.

Другое решение — «энергетические корзины» — считаются альтернативой земляным коллекторам, потому что они нуждаются для размещения значительно меньшей площади земли. Они обычно цилиндрической формы и устанавливаются на глубине до четырех метров. Однако мощность таких теплообменников редко существенно отличается от мощности обычных грунтовых коллекторов.

Ледяные накопители тепла

Новый подход к организации поглотителей и аккумуляторов тепла из окружающей среды — так называемые ледяные аккумуляторы. Именно практической реализации такой концепции предлагает Viessmann. Ледяные аккумуляторы здесь выступают как альтернативный источник тепла для тепловых насосов типа «рассол-вода».

Система состоит из водяного резервуара и абсорберов типа «воздух-солнце». Такая система позволяет использовать одновременно все три источника энергии природной среды — тепло окружающего воздуха, солнечную энергию и энергию земли. В летний период такая система работает также и как источник холода.

Система с ледяным аккумулятором работает по простому принципу: энергия, полученная от солнца, воздуха и почвы, передается с низкой температурой воде содержится в подземной бетонной емкости — аккумуляторе льда. Вода как основной теплоноситель делает такую ​​систему абсолютно экологической и безопасной для окружающей среды, поэтому может использоваться везде, без каких-либо ограничений. Тепловой насос обеспечивает здание теплом. Тепловая энергия, необходимая для его работы, получается или от воды в резервуаре, или непосредственно из специальных солнечных абсорберов, расположенных на открытом воздухе.

Основой в работе такой системы является использование «скрытого» тепла фазового перехода воды при замерзании. Энергия кристаллизации воды выделяется при переходе воды с температурой 0 ° C в твердое состояние (лед) также с температурой 0 ° C. Для работы используется физический эффект, при замерзании воды выделяется столько же тепловой энергии, сколько ее нужно для нагрева такого же количества воды от 0 ° C до + 80 ° C. На рис. 1 изображен диаграмму фазовых переходов для воды. Из нее видно, что на фазовый переход «лед-вода» тратится почти столько же энергии, как и на нагрев воды до закипания.

Рис. 1. Диаграмма затрат энергии на фазовые переходы для воды

С другой стороны, такая система может использоваться и летом — для охлаждения здания ( «естественное охлаждение»). Для этого воду в резервуаре специально максимально замораживают в конце отопительного сезона. Полученный лед является естественным бесплатным источником для охлаждения. По сравнению с обычными концепциями охлаждения расходы на обеспечение энергии охлаждения дома могут быть уменьшены на 99%. Благодаря управлению процессом замерзания и оттаивания процесс замораживания можно повторять несколько раз в течение одного отопительного периода, что позволяет использовать скрытую энергию кристаллизации / оттаивания бесконечно долго.

Привлекательность решения по льодоакумулятором обосновывается несколькими факторами:

отсутствием жестких требований для установления водного резервуара и абсорберов типа «воздух-солнце». Нет нужды в сложных бурильных и подземных работах и ​​согласовании такой системы с надзорными органами;
высокой энергоэффективностью в среднегодовом расчете за счет использования энергии из трех природных источников тепла: солнца, воздуха, земли,
экологичностью и энергоэффективностью системы отопления и охлаждения.
В отличие от систем «вода-вода», использующие первичный теплообменник, расположенный в природном водохранилище (река или пруд), в закрытых теплообменных емкостях льодоакумулятора используется очищенная питьевая вода, в которой не происходит размножение водорослей и обрастания ними теплообменных трубопроводов.

Абсорберы типа «воздух-солнце» можно использовать даже летом — в это время можно задействовать низкие ночные температуры окружающего воздуха для охлаждения воды в льодоакумулятори или для охлаждения самого дома. Таким образом, период «естественного охлаждения» может быть значительно продлен. Льодоакумулятор можно использовать и в схемах с «активным» охлаждением от тепловых насосов. Итак, с помощью льдоаккумулятори можно создать технически единую систему и для отопления, и для охлаждения.

Техническая реализация системы отопления с льдоаккумуляторамы

Компоненты системы с ледовым аккумулятором показаны на рис. 2, рис. 3, она состоит из следующих основных компонентов:

резервуара для хранения льда;
теплообменника первичного контура теплового насоса;
теплообменника регенерации;
абсорбера (поглотителя энергии) «воздух-солнце»;
теплового насоса «рассол-вода»;
автоматикой управления источником тепла.
Стандартная система мощностью до 20 кВт состоит из одного или двух бетонных цилиндров (диаметр-2,5 м, высота-3,56 м), объемом по 10 м³ каждый. Они полностью монтируются ниже уровня земли и заполняются водой.

Рис. 2. Пример реализации установки ТН и льдоаккумуляторамы

Рис. 3. Схема тепловых потоков установки с льдоаккумулятором 120 м3

В резервуаре установлены теплообменники из пластиковых труб, которые укладываются в спирали на разных уровнях. Спирали из труб подключены к первичному контуру теплового насоса и предназначены для отбора тепла воды во время работы ТН. Внешне резервуара расположен регенерационный теплообменник из абсорбера «воздух-солнце», благодаря чему тепло окружающего воздуха и солнца также передается воде (рис. 4).

Рис. 4. Поглощение энергии от воздуха и солнца регенерационные теплообменником и резервуаром с водой от земли

Конструкция резервуара для льда

Резервуар для воды, которая будет находиться в состоянии фазового перехода ото льда к жидкости и наоборот, может быть как круглой, так и прямоугольной формы (в зависимости от местных условий для ее установки). Минимальная высота емкости обычно должна быть 2 м, а максимальная может достигать 6 м.

Чтобы избежать эффекта повреждения емкости при расширении льда, инженеры Viessmann изменили направление замерзания льда на противоположный благодаря специальному расположению системы теплообменника в резервуаре (рис. 5): вода замерзает снизу вверх и изнутри наружу. Таким образом, вода, еще не замерзла, выжимается в свободный объем, и после замерзания воды собственно резервуар не разрушается.

Рис. 5. Расположение труб теплообменника в резервуаре

Абсорбер «воздух-солнце»

Абсорбер (поглотитель энергии) типа «воздух-солнце» представляет собой открытый незастекленный коллектор для монтажа на плоской крыше. Им поглощается тепло от окружающего воздуха и солнечного света, служит как для регенерации льда в хранилище, так и как прямой источник тепла для теплового насоса. Абсорберы также могут быть установлены на наклонной крыше или на фасаде дома. Возможно также установить абсорберы в виде энергетической ограждения.

Основным преимуществом абсорберов «воздух-солнце» является то, что они используют тепло окружающего воздуха, которое доступно и днем, и ночью. Такие абсорберы особенно подходят для системы хранения льда том, что они обеспечивают энергию для системы даже при отсутствии солнечного света. Солнечное излучение является дополнительным источником тепла, еще увеличивает эффективность системы. Абсорберы «воздух-солнце» непрерывно используют свободное тепло окружающей среды: ночью- из окружающего воздуха, а в течение дня- также и от солнечных лучей.

Рекуперативные поглотители энергии «воздух-солнце» специально разработаны именно для совместной работы с льодоакумуляторамы. Трубы абсорберов изготовлены из специального пластика, устойчивого к воздействию ультрафиолета. Абсорберы в форме подковы имеют специальную незмочувану матовую поверхность (на которой не задерживается атмосферная вода, что может препятствовать эффективному теплоотвода или поглощению тепла) и выполнены таким образом, чтобы иметь наименьший гидравлическое сопротивление и поддерживать поток теплоносителя даже в условиях малейшего перепада давления.

Как это работает?

Центральным элементом установки является резервуар для хранения льда. Он служит главным (первичным) накопителем тепловой энергии. При запуске системы сначала резервуар заполняется питьевой водой. ТН насос «забирает» энергию из воды, чем охлаждает ее. При этом, при охлаждении 1 кг воды на 1 К выделяется 1,163 Вт • ч энергии. Во время работы теплового насоса тепловая энергия забирается из резервуара, а вода в нем охлаждается до температуры 0 ° С. Постепенно трубы теплообменника начинают обмерзать. Этот процесс является намеренным и желанным, так как именно в процессе замерзания воды появляется ожидаемый выигрыш в энергии через скрытое тепло фазового переходу- 93 Вт • ч энергии с 1 кг воды. Образование льда начинается на трубах теплообменника. Слой льда на пластиковой трубе теплообменника выступает дополнительным термическим сопротивлением для теплопередачи от воды в резервуаре до рассола внутри теплообменника. Но при этом слой льда и увеличивает общую площадь теплопередачи. Оба процесса происходят управляемо и примерно пропорционально, а собственно тепловой поток остается практически неизменным.

В это время от абсорбера «солнце-воздух» в резервуар поступает определенное количество энергии из окружающей среды, снова растапливает лед или нагревает воду.

В дополнение к теплу от солнечно-воздушного поглотителя, хранилище льда получает также геотермальную энергию. Как только температура воды в хранилище льда падает ниже уровня температуры почвы, окружающей резервуар, система хранения льда начинает получать тепло от земли. Если резервуар даже полностью оледенел, то к нему все же продолжает поступать земное тепло, возвращая систему в рабочее состояние. Правда, количество такого тепла зависит от состояния и состава почвы. Летом, с другой стороны, избыточное тепло также выделяется через стенки резервуара в окружающий грунт. Таким образом действует саморегуляция, что предотвращает перегрев объема льодоакумулятора.

Использование холода в льодоакумулятори летом — очень эффективный способ сохранения энергии для кондиционирования помещений естественным путем. Для этого в конце отопительного сезона все резервуар подземного накопителя намеренно переохлаждается и весь объем воды в нем превращается в лед, чтобы использовать его как источник холода. К тому же в дополнение к естественному образу (если требуется охлаждение с большей интенсивностью) вся система ТН может быть переключена в режим активного охлаждения «active cooling». Постепенно (до начала следующего отопительного сезона) тепло, было отобрано из помещений при активном охлаждении, становится при случае для обогрева в новом отопительном цикле.

Рис. 6. Абсорберы «воздух-солнце»:
а) на плоской крыше; б) на фасаде дома

Широкое применение

Система хранения льда подходит для всех типов зданий с высокими потребностями тепла и / или для охлаждения. Нагрева или охлаждения можно осуществлять периодически или непрерывно. Использование ТН и высокий общий среднегодовой показатель эффективности системы позволяет на 1 кВт затраченной электроэнергии получить до 6-7 кВт полезной энергии тепла и холода.

Для эффективной работы теплового насоса с льодоакумулятором требует очень тщательного расчета всех тепловых потоков и расчетов энергобаланса как в целом, так и отдельно каждого из энергопотоков. Это требует профессионального проектирования системы отопления и охлаждения в целом. Хранение льда и поддержания его в состоянии фазового перехода максимально раскрывает свой потенциал только тогда, когда учитываются все индивидуальные особенности проекта, а все элементы оптимизированы друг к другу.

Благодаря тому, что уже существуют типовые гидравлические схемы и варианты практической реализации, существует очень широкий спектр использования ТН с ледовыми аккумуляторами не только в индивидуальном жилищном строительстве. Кроме коттеджей, ТН с льодоакумуляторамы могут использоваться для отопления / охлаждения:

производственных цехов;
офисных зданий;
торговых помещений и гипермаркетов;
систем хранения пищевых продуктов на складах и в холодильных камерах торговых заведений;
гостиниц и санаториев;
бассейнов и других спортивных сооружений;
школ / детских учреждений, социальных учреждений;
других зданий различного назначения.

Особенности теплового насоса «рассол-вода»

Конечно, тепловой насос для работы с льодоакумулятором имеет свои определенные особенности. В таких системах используются тепловые насосы типа «рассол-вода» с автоматикой управления, которая управляет не только работой системы отопления, самого теплового насоса, но и контролирует все процессы в льодоакумулятори: температурные уровне в резервуаре, регенерацию аккумулятора, оптимизацию цикличности работы теплового насоса для максимально-эффективного использования тепла фазового перехода воды и тому подобное.

Холодильный контур теплового насоса имеет буди оптимизированным для работы с теплоносителем в первичном контуре (рассол) от + 25 ° C до минус 10 ° C, и быть оптимизированным для системы хранения льда, при том, что основной режим работы ТН с льодоакумулятором происходит при температуре фазового перехода воды, то есть 0 ° C.

Тепловой насос типа «рассол-вода» Viessmann серии Vitocal 300-G или 350-G (рис. 7) с регулятором Vitotronic 200 WO1Cпрацюе как первичный контур ТН с грунтовыми коллекторами, грунтовыми зондами, водяными скважинами и льодоакумуляторамы. Он имеет высокую эффективность работы (COP- до 5,0 при B0 / W35 ° C, в соответствии с EN 14511), что гарантирует низкие эксплуатационные расходы во время работы системы.

Тепловой насос оснащен електроннимтерморегулюючим вентилем EEV и системой диагностики работы холодильного контура RCD-System, гарантирует его высокую энергоэффективность в работе с любым источником первичной энергии — почва, воздух, вода и т. д.

Рис. 7. Схема внутреннего расположения компонентов ТН «рассол-вода» Vitocal 350-G

Электронный терморегулирующий вентиль EEV имеет диапазон работы от 10 до 100% и обеспечивает точную подачу хладагента на компрессор с минимальным перегревом. Благодаря этому тепловой насос имеет высокий КПД в каждой рабочей точке и максимальную эффективность работы при любых температурных режимах.

Система диагностики работы холодильного контура RCD-System значительно облегчает эксплуатацию теплового насоса, позволяет контролировать параметры хладагента в основных рабочих точках холодильного цикла, сохраняет все необходимые данные о работе теплового насоса. Благодаря этой системе регулятор рассчитывает и энергобалансы — потребление электроэнергии и произведенную тепловую энергию для различных режимов работы. Это особенно важно при работе с льодоакумуляторамы и позволяет анализировать работу в целом всей системы на базе теплового насоса, оптимизировать ее для уменьшения эксплуатационных расходов. Надо обратить внимание, что единая система для отопления / охлаждения с льодоакумуляторамы — это система, в которой для работы не используются вентиляторы или другие со временем механически изнашиваемые компоненты, подобно систем с ТН типа «воздух-вода» или «воздух-воздух», в процессе эксплуатации которых возможно увеличение шума.

Все преимущества, которые предоставляет система «отопление льдом» по сравнению с классическими системами отопления / охлаждения на базе тепловых насосов, гарантирует им вскоре широчайшее использование в различных секторах жилищного и гражданского строительства.

Почему замерзают аккумуляторы?

Превратить автомобилиста в пешехода в считанные минуты могут, пожалуй, три явления: внезапная поломка машины, ДТП и сильный мороз.  Тема морозов, «умерших» аккумуляторов и утренних «упражнений» на стоянке жителям Тюмени близка, как никому.

Наверняка вы можете припомнить случай, когда морозным утром в понедельник спеша  на работу, вы падали на сиденье любимого автомобиля, вставляли ключ в замок зажигания и вместо довольного урчания двигателя слышали слабое «барахтанье» стартера.         Безнадёжно «севший» аккумулятор — проблема близкая всем автовладельцам, и особенно хозяевам старых  автомобилей.  

При эксплуатации автомобиля в жестких условиях сибирской зимы одной  емкости  маловато, нужны еще и увеличенные стартерные токи холодной прокрутки.   Дело в том, что чем больше емкость и пусковые токи холодной прокрутки, тем при более высоком напряжении происходит запуск двигателя,  падение напряжения при пуске минимально ( на шоферском сленге – просадка напряжения). Это хороший надежный запуск.  И съем емкости (количества электричества)   с батареи при запуске  меньше, значит и заряжаться такая батарея будет лучше и быстрее. Разряд батареи при таком пуске  не глубокий, расход активных материалов и электролита в аккумуляторе минимален, что повышает коэффициент отдачи по току и по энергии, т.е. необходимо гораздо меньше энергии затрачивать и на заряд по отношению к разрядной энергии аккумулятора, так как все процессы заряда –разряда протекают при более высоком значении напряжения.  Аккумулятор с меньшей емкостью и низким током холодной прокрутки при пуске просаживается по напряжению в большей степени ,  на морозе  напряжение  может упасть и до 6 вольт. При этом прокрутка двигателя присутствует (есть), а пуск двигателя осложняется  — нет  достаточной степени сжатия  топливно – воздушной смеси   ,  а также из-за отсутствия образования более мощной искры или вообще отказа работы электронного блока зажигания  из-за низкого остаточного напряжения на клеммах аккумулятора. И при всем при этом  аккумулятор тратит очень много энергии.  Автовладельцы с большим практическим опытом вождения  выбирают, как правило, аккумуляторы большей емкости и с более высоким током холодной прокрутки ,  зная что  несколько пусков холодного двигателя  не доведут  разряд батареи до недопустимой  просадки напряжения .  А чем выше напряжение, тем быстрее аккумулятор зарядится от генератора при движении автомобиля и восстановит свою затраченную на пуск энергию. Аккумулятор- это сосуд с энергией, если  израсходовали    допустим      10 ампер часов,  то  возместить нужно больше,   на коэффициент 1,3 , т.е 13 ампер  часов при заряде. Таковы особенности эксплуатации аккумуляторов — этих простых и одновременно сложных устройств.  И если обратимость этой энергии не поддерживать , аккумулятор долго работать не будет. Разряд –заряд должен быть сбалансированным , тогда аккумулятор будет иметь всегда достаточную мощность для пуска  холодного двигателя, так как мощность зависит от величины среднего разрядного напряжения  и емкости батареи .

Что касается температур замерзания электролита, то  температура замерзания электролита заряженного аккумулятора минус 70°С , такой аккумулятор не разморозится.  

Иногда такие простые, казалось бы, причины, как ослабление или  окисление контактов соединения с электропроводкой приводят к снижению эффективности зарядки от генератора  из-за падения напряжения на клеммах аккумулятора, при этом сам аккумулятор абсолютно исправен, но систематически недозаряжается. Прибавьте к этому низкую температуру за бортом автомобиля, и получите результат — аккумулятор не принимает заряд.

Этому явлению есть довольно простое объяснение. При низких температурах в аккумуляторах повышается вязкость электролита, скорость протекания электрохимических реакций замедляется, и в итоге снижается способность аккумулятора быстро заряжаться.

В таких случаях автомобилисты вынуждены эксплуатировать свои аккумуляторы в состоянии неполного заряда и, естественно, с более низкой емкостью. При каждом последующем пуске аккумулятор, как правило, недопустимо глубоко разряжается, а зарядиться быстро и до требуемой емкости и напряжения уже  не может.

Конечно, электролит замерзнуть не может, а вот когда весь ресурс аккумулятора исчерпан и вся серная кислота израсходована на процессы разрядки, то в электролите остается практически одна вода, температура замерзания которой составляет 0°С.

Ниже приведены температуры  замерзания электролита  в аккумуляторе при разряде :

Вода при замерзании увеличивается в объеме и выдавливает активную массу из ячеек решетки, из-за чего ослабляется контакт между активной массой и токоведущей основой, увеличивается сопротивление, в результате мы имеем снижение по токоотдаче, пусковой мощности аккумулятора и сроку службы. Такой аккумулятор теряет свой ресурс и, как правило, преждевременно выходит из строя.

Именно поэтому величина и запас емкости в аккумуляторе в холодное время года имеет очень большое значение для условий беспроблемной эксплуатации.

Чтобы решить вышеперечисленные проблемы, на Тюменском заводе по производству стартерных аккумуляторных батарей  «АЛЬКОР» налажен  серийный выпуск   аккумуляторных батарей торговых марок ARCTIC BATBEAR, TYUMEN BATBEAR,     ТЮМЕНСКИЙ МЕДВЕДЬ, ЯМАЛ.  

Эти аккумуляторы  разработаны  специально для эксплуатации в регионах с холодным климатом. В производстве используется новейшее импортное оборудование, особо чистые материалы, электролиты и вода, которая по содержанию примесей соответствует дистиллированной.  Очистка воды производится на итальянской установке обратного осмоса с использованием мембраны.

В числе  преимуществ батарей —  высокий ток приема заряда и способность быстро восстанавливать  энергию разряда   при эксплуатации  в холодное время года.  Высокие токи холодного пуска при минус 18 °C – токи холодной прокрутки,  обеспечивают  аккумуляторам более высокую мощность  и надежность запуска холодного двигателя .  

Вода (расширение ее объема при замерзании)

Вода — это жидкость жизни. Мы пьем его, мы купаемся в нем, мы обрабатываем его, готовим и убираемся с его помощью. Это самая распространенная молекула в нашем организме. Фактически, любая известная нам форма жизни умерла бы без него. Но самое главное, без воды у нас не было бы холодного чая. Мммм, чай со льдом.

Почему эти кубики льда плавают? Если бы это были кубики твердого аргона в чашке с жидким аргоном, они бы утонули. То же самое и с большинством других веществ.Но твердая вода, также известная как лед, почему-то менее плотна, чем жидкая вода. Как такое возможно?

Вы уже знаете, что каждая молекула воды состоит из двух атомов водорода, связанных с одним атомом кислорода. Давайте посмотрим на несколько молекул в капле воды, и предположим, что температура составляет 25 градусов по Цельсию. Молекулы изгибаются, растягиваются, вращаются и движутся в пространстве. Теперь давайте снизим температуру, что уменьшит количество кинетической энергии каждой из этих молекул, чтобы они меньше изгибались, растягивались, вращались и двигались.А это значит, что в среднем они будут занимать меньше места.

Можно подумать, что когда жидкая вода начинает замерзать, молекулы будут собираться вместе все более и более плотно, но это не то, что происходит. Вода имеет особый вид взаимодействия между молекулами, которого нет у большинства других веществ, и это называется водородной связью. Теперь вспомним, что в ковалентной связи два электрона распределяются между атомами, обычно неравномерно. В водородной связи атом водорода распределяется между атомами также неравномерно.Одна водородная связь выглядит так. Двое выглядят так. Вот три, четыре и пять, шесть, семь, восемь, девять, десять, одиннадцать, двенадцать, я мог бы продолжить. В одной капле воды водородные связи образуют протяженные сети между сотнями, тысячами, миллионами, миллиардами, триллионами молекул, и эти связи постоянно разрываются и реформируются.

А теперь вернемся к остывающей воде. При температуре выше 4 градусов по Цельсию кинетическая энергия молекул воды сокращает время их взаимодействия друг с другом.Водородные связи образуются и разрываются, как отношения в старшей школе, то есть быстро. Но ниже 4 градусов кинетическая энергия молекул воды начинает опускаться ниже энергии водородных связей. Таким образом, водородные связи образуются гораздо чаще, чем разрываются, и из хаоса начинают появляться красивые структуры.

Так выглядит твердая вода — лед на молекулярном уровне. Обратите внимание, что упорядоченная гексагональная структура менее плотная, чем неупорядоченная структура жидкой воды.И вы знаете, что если объект менее плотный, чем жидкость, в которой он находится, он будет плавать. Итак, лед плавает по воде, и что? Что ж, давайте рассмотрим мир без плавающего льда. Самая холодная часть океана была бы черным как смоль дном океана, когда-то замороженным, но всегда замороженным. Забудьте о роллах с лобстером, поскольку ракообразные потеряют свою среду обитания, или о суши, поскольку леса из водорослей не растут. Что бы канадские дети делали зимой без хоккея с прудом или подледной рыбалки? И забудьте о «Оскаре» Джеймса Кэмерона, потому что «Титаник» вполне мог бы это сделать.Попрощайтесь с белыми полярными ледяными шапками, отражающими солнечный свет, который иначе испепелил бы планету. Фактически, забудьте об океанах, какими мы их знаем, которые на более чем 70% площади поверхности Земли регулируют атмосферу всей планеты. Но, что хуже всего, не было бы холодного чая. Ммммм, чай со льдом.

Почему вода расширяется при замерзании? »Science ABC

Когда вода замерзает, ее молекулы выстраиваются в кристаллическую структуру, тем самым приобретая определенную форму.Эта кристаллическая структура менее плотная, и поскольку между отдельными молекулами в структуре есть промежутки, общий объем увеличивается, и вода «расширяется».

С беглого взгляда фраза «вода расширяется при замерзании» может не иметь смысла, потому что в жидкой форме вода не имеет определенной формы или формы и, следовательно, кажется, что она занимает больше места. Кроме того, при замерзании вода принимает четко выраженную форму, которая кажется полной противоположностью «расширения».

Поэтому позвольте мне начать с разбивки вопроса, поставленного в заголовке статьи.

Объем льда больше, чем у воды? (Фото: Джордж Ходан / Public Domain Pictures)

Действительно ли вода расширяется при замерзании?

Да, при замерзании вода расширяется. Обратите внимание, что слово «расширяется» в этом предложении указывает на увеличение объема . Итак, технически разумный способ сформулировать это так: объем воды увеличивается, когда она замерзает.

Это утверждение является точным, и вы можете проверить его правомерность с помощью простого эксперимента: если вы снизите температуру воды, вы заметите, что объем воды уменьшается по мере того, как она становится все более и более «неповрежденной».”

Вы можете обратиться к следующей диаграмме, чтобы наглядно представить эту взаимосвязь:

Обратите внимание, что объем воды начинает увеличиваться, когда температура опускается ниже 4 градусов Цельсия.

Теперь давайте поговорим о том, почему объем воды увеличивается или почему она расширяется, когда замерзает и достигает твердой формы.

Почему при замерзании объем воды увеличивается?

Это явление связано с химическим составом воды. Видите ли, молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.Расположение этих атомов совершенно уникально, что придает воде некоторые особые свойства, такие как высокая теплоемкость воды, поверхностное натяжение, адгезия и когезия.

Химическая структура молекулы воды.

Такое расположение молекулы воды создает положительно заряженную сторону около атомов водорода и отрицательно заряженную сторону около атома кислорода.

Когда две молекулы воды сближаются, положительная сторона одной молекулы цепляется за отрицательную сторону другой молекулы.Когда это происходит в больших масштабах (то есть с миллионами молекул воды), вы получаете уникальную структуру, которая объясняет некоторые химические свойства воды.

В жидкой форме молекулы воды могут свободно перемещаться, образуя и разрывая водородные связи в процессе. Это свойство объясняет неправильную форму воды (или любой жидкости, если на то пошло). Некоторые молекулы воды часто «накладываются» друг на друга, что объясняет более высокую плотность воды по сравнению со льдом.

Расположение молекул воды в жидкой форме.

Однако, когда температура падает и вода остывает, межмолекулярные силы увеличиваются, свобода движения молекул воды уменьшается, и они становятся все менее и менее энергичными (с понижением температуры).

Когда вода достигает точки замерзания, движение ее молекул становится незначительным, поскольку они принимают более определенную форму, размещенную в шестигранных решетках.

Ниже приводится упрощенная версия расположения молекул воды в их кристаллической форме во льду:

Расположение молекул воды в твердой форме.

Это кристаллическое расположение молекул воды менее плотное, так как оно не позволяет молекулам скапливаться (как это происходит в жидкой форме) из-за более сильных межмолекулярных сил.

Такое расположение молекул и удержание их в этом положении увеличивает объем воды, поэтому говорят, что вода расширяется при замерзании.

Вот почему лед плавает по воде

Вода расширяется, когда становится льдом, а поскольку объем обратно пропорционален плотности вещества, лед менее плотен, чем вода.По этой причине лед — вещество, которое кажется более тяжелым, чем его жидкая форма, — плавает по воде.

Статьи по теме

Статьи по теме

Если бы вода не расширялась при замерзании, лед был бы плотнее воды. Подумайте о влиянии на экосистему планеты! Лед на поверхности озер, морей и океанов утонет, и эти водоемы будут постепенно заполняться снизу вверх. С замерзшими озерами и океанами на Земле не было бы водной жизни.

С этой точки зрения очень хорошо, что вода расширяется в твердой форме!

Когда вода замерзает, ее объем увеличивается на 4. Какой объем, класс 11, физика CBSE

Подсказка : Нам дан процент увеличения объема льда. Теперь, просто приняв неизвестную переменную для объема воды, мы можем добавить к ней увеличение объема и приравнять его к требуемому объему. Решая полученное уравнение относительно неизвестной переменной, можно получить требуемый объем воды.3} $ льда при замерзании. Это обязательный ответ.

Примечание: Когда вещество охлаждается, оно сжимается, а при нагревании расширяется. Но здесь мы говорим, что объем воды увеличивается при понижении температуры. Причина этой аномалии — решетчатая структура льда. Структура решетки льда такова, что между молекулами имеется много пустых пространств, что приводит к увеличению объема при замерзании воды.

Структура льда | Химия для неосновных

Цели обучения

• Опишите структуру льда.
• Объясните, почему лед менее плотен, чем жидкая вода.

Вы когда-нибудь катались на коньках?

Лед — интересный и полезный материал. Его можно использовать для охлаждения продуктов и сохранения их свежести. Он может обеспечить отдых, например, катание на коньках. При замерзании лед может нанести большой ущерб — дороги могут прогнуться, дома могут быть повреждены, водопроводные трубы могут лопнуть. Все это происходит из-за уникального свойства воды и льда. Когда вода замерзает, она увеличивается в объеме за счет образования льда.

Структура льда

Жидкая вода — это жидкость. Водородные связи в жидкой воде постоянно разрываются и восстанавливаются, когда молекулы воды проносятся мимо друг друга. По мере охлаждения воды ее молекулярное движение замедляется, и молекулы постепенно приближаются друг к другу. Плотность любой жидкости увеличивается с понижением ее температуры. Для большинства жидкостей это продолжается, когда жидкость замерзает, и твердое состояние становится более плотным, чем жидкое состояние. Однако вода ведет себя иначе.На самом деле максимальная плотность достигается при температуре около 4 ° C.

Между 4 ° C и 0 ° C плотность постепенно уменьшается, поскольку водородные связи начинают формировать сеть, характеризующуюся обычно гексагональной структурой с открытыми пространствами в середине шестиугольников.

Рис. 1. Структура жидкой воды (слева) состоит из молекул, связанных короткоживущими водородными связями, потому что вода — это жидкость. Во льду (справа) водородные связи становятся постоянными, в результате образуется взаимосвязанный гексагональный каркас молекул.

Лед менее плотный, чем жидкая вода, поэтому он плавает. Пруды или озера начинают замерзать на поверхности, ближе к холодному воздуху. Слой льда образуется, но не тонет, как если бы вода не имела этой уникальной структуры, обусловленной ее формой, полярностью и водородными связями.Если бы лед затонул при замерзании, замерзли бы целые озера. Поскольку лед не тонет, жидкая вода остается подо льдом всю зиму. Это важно, поскольку рыбы и другие организмы способны пережить зиму. Лед — одно из очень немногих твердых тел, которое менее плотно, чем его жидкая форма.

Сводка

• Лед менее плотный, чем жидкая вода.
• В межмолекулярной структуре льда есть пространства, которых нет в жидкой воде.

Практика

Воспользуйтесь ссылкой ниже, чтобы ответить на следующие вопросы:

1. Что делают водородные связи в жидкой воде?
2. Какова структура льда?
3. Сколько молекул воды взаимодействуют в воде? Во льду?

Обзор

1. Что происходит с плотностью большинства жидкостей при понижении температуры?
2. Как меняется плотность воды при температуре выше 4 ° C?
3. Как изменяется плотность воды ниже 4 ° C?

Глоссарий

• плотность: Концентрация вещества.Увеличивается при понижении температуры.
• шестиугольник: Имеет форму шестиугольника.

Теоретические аспекты процесса замораживания

Во время замораживания пищевых продуктов образуется лед, поскольку чистая вода проходит двухступенчатый процесс кристаллизации (зарождение и распространение). Когда температура снижается и вода удаляется из пищи в виде льда, растворенные вещества, присутствующие в UFP, концентрируются замораживанием. Для каждого отношения лед / UFP существует равновесная температура замерзания, которая является функцией концентрации растворенного вещества.Этот равновесный термодинамический процесс можно смоделировать на фазовой диаграмме как кривую равновесного замерзания (ликвидус) (см. Рисунок ниже), которая простирается от температуры плавления (Tm) чистой воды (0oC) до температуры эвтектики (Te) растворенного вещества. , точка, в которой растворенное вещество было заморожено до концентрации насыщения.

При понижении температуры маловероятно, что растворенное вещество будет кристаллизоваться при Те из-за высокой вязкости из-за концентрации растворенного вещества и низкой температуры, так что концентрация замораживания выходит за пределы Те в неравновесном состоянии.Затем высококонцентрированный UFP может перейти в состояние перехода вязкая жидкость / стекло в результате уменьшения молекулярного движения и кинетики диффузии в результате как очень высокой концентрации, так и низкой температуры.

Стекло определяется как неравновесное, метастабильное, аморфное, неупорядоченное твердое вещество чрезвычайно высокой вязкости (например, от 10 exp10 до 10 exp14 Па · с), также зависящее от температуры и концентрации. Кривая стеклования простирается от температуры стеклования (Tg) чистой воды (-134oC) до Tg чистого растворенного вещества.Диаграмма состояния равновесия и полученная кинетически диаграмма состояний могут быть смоделированы вместе на дополнительной диаграмме состояний. Дополнительная диаграмма состояний, показывающая границы сосуществования твердого / жидкого и профиль стеклования для бинарной системы сахароза / вода, показана на рисунке ниже. Ниже и справа от линии стеклования раствор находится в состоянии аморфного стекла, со льдом или без него, в зависимости от температуры и пройденного пути замерзания, в то время как выше и слева от линии стеклования раствор находится в жидкое состояние, со льдом или без льда в зависимости от температуры.

В качестве примера предположим, что раствор сахарозы с начальной концентрацией 20% при комнатной температуре (точка A). Начальная Tg этого раствора при комнатной температуре до разделения фаз помечается как точка B (если раствор может быть переохлажден до этой температуры без образования льда). Однако при медленном охлаждении системы несколько ниже ее точки равновесного замерзания (из-за переохлаждения) зародышеобразование и последующая кристаллизация начинается в точке C и инициирует процесс концентрирования при замерзании, удаляя воду в ее чистой форме в виде льда.По мере того, как кристаллизация льда продолжается, непрерывное увеличение концентрации растворенного вещества (удаление воды) дополнительно понижает равновесную точку замерзания UFP таким образом, который следует кривой ликвидуса (показан как путь C), в то время как Tg UFP перемещается вверх по стеклованию. линия (путь B; из-за повышенной концентрации) с быстрым увеличением вязкости не аррениусовским способом, особенно на поздних стадиях процесса замораживания.

Совместная кристаллизация растворенного вещества при температуре Те маловероятна, и, таким образом, концентрация замораживания продолжается после Те в неравновесное состояние, поскольку растворенное вещество становится сверхстауризованным.Когда достигается критическая, зависящая от растворенного вещества концентрация, незамерзшая жидкость демонстрирует очень сопротивляемую подвижность, и физическое состояние UFP изменяется с вязкоупругой жидкости на хрупкое аморфное твердое стекло.

Пересечение неравновесного продолжения кривой ликвидуса за пределами Те и кинетически определенной кривой стеклования, точка D на приведенном выше рисунке, представляет собой специфичную для растворенного вещества, максимально концентрированную при замораживании Tg замороженной системы, обозначенную Tg ‘, где образование льда прекращается в пределах шкалы времени измерения.Соответствующие максимальные концентрации воды и сахарозы, «захваченные» в стекле при Tg ‘и неспособные кристаллизоваться, обозначены Wg’ и Cg ‘соответственно. Стоит отметить, что эта незамерзшая вода не связана в «энергетическом» смысле, скорее, не может замерзнуть в практических временных рамках.

При Tg ‘перенасыщенное растворенное вещество приобретает твердые свойства из-за уменьшения молекулярного движения, которое отвечает за огромное снижение поступательной, а не вращательной подвижности.Именно эту внутреннюю медленность молекулярной реорганизации ниже Tg ‘пищевой технолог пытается создать в концентрированной фазе, окружающей компоненты пищевых материалов.

Однако нагревание от стекловидного состояния до температур выше Tg ‘приводит к огромному увеличению диффузии не только из-за эффектов перехода аморфной жидкости в вязкую, но также из-за повышенного разбавления, поскольку таяние мелких кристаллов льда происходит почти одновременно (Tg ‘= Тм’). Временной масштаб молекулярной перестройки постоянно меняется по мере приближения к Tg, так что технологи пищевой промышленности могут также получить некоторую повышенную стабильность при температурах выше Tg ‘за счет минимизации дельты T между температурой хранения и Tg’, либо за счет снижения температуры хранения, либо за счет увеличения Tg ‘методами замораживания или рецептурой.Следовательно, знание стеклования дает четкое представление о молекулярной диффузии и реакционной способности и, следовательно, стабильности при хранении.

Изменение состояния — Замораживание | Глава 2: Состояния материи

Растворенные газы и разрушение льда при замерзании многоклеточного организма: уроки тихоходок

Биоресурсы Открытый доступ. 2015; 4 (1): 209–217.

Гюнтер Клетечка

¹ Факультет естественных наук Карлова университета в Праге, Прага, Чешская Республика.

² Институт геологии Чешской академии наук, v.v.i., Прага, Чешская Республика.

³ Национальная лаборатория Лоуренса Беркли, Беркли, Калифорния.

Jolana Hruba

¹ Факультет естественных наук Карлова университета в Праге, Прага, Чешская Республика.

¹ Факультет естественных наук Карлова университета в Праге, Прага, Чешская Республика.

² Институт геологии Чешской академии наук, т.v.i., Прага, Чешская Республика.

³ Национальная лаборатория Лоуренса Беркли, Беркли, Калифорния.

^* Адресная корреспонденция: доктору Гюнтеру Клетечке, факультет естественных наук, Карлов университет в Праге, Альбертов 6, 128 43 Прага 2, Чешская Республика, электронная почта: moc.liamg@akhcstetelk Авторские права © Клетечка и Груба 2015; Опубликовано Мэри Энн Либерт, Inc. Эта статья в открытом доступе распространяется в соответствии с условиями лицензии Creative Commons (http: // creativecommons.org / licenses / by / 4.0), который разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе, при условии, что оригинальная работа должным образом указана. Эта статья цитировалась в других статьях в PMC.

Abstract

Три вопроса являются критическими для успешной криоконсервации многоклеточного материала: растворенные в жидкости газы, теплопроводность ткани и локализация микроструктур. Здесь мы показываем, что распределение тепла контролируется количеством газа, растворенного в жидкостях, и что при превращении жидкости в твердое тело растворенные газы либо образуют пузырьки из-за отсутствия пространства в решетке твердых тел, либо мигрируют в сторону концентрированной соли. и раствор сахара за счет количества тепла, необходимого для удаления для завершения перехода в твердое состояние.Эти факторы влияют на распределение тепла в органах, подлежащих криоконсервации. Мы показываем, что проблема концентрации газа контролирует растрескивание льда при замерзании. Объемные изменения происходят не только при превращении жидкости в твердое тело (объем увеличивается), но также уменьшается объем при достижении более низких температур (объем уменьшается). Мы обсуждаем эти вопросы параллельно с наблюдениями за криосохраняемостью многоклеточных организмов, тихоходок, и обсуждаем их аналогии с криоконсервацией крупных органов.

Ключевые слова: : криоконсервация, криптобиоз, повреждение ДНК, внеклеточное повреждение, выживаемость

Введение

В этой работе мы выдвинули рабочую гипотезу о том, что концентрация газа в криоконсервированной жидкости играет решающую роль как в развитие трещин в твердом состоянии и равномерность теплоотвода.

Газы, растворенные в жидкостях

Содержание газа в криоконсервированном материале ограничено растворимостью газа в тканях, содержащих жидкость. ^1,2 Растворимость газов увеличивается как с увеличением давления газа, так и с понижением температуры. ³ Когда жидкость превращается в твердый материал, растворенные газы, которые слишком велики, чтобы поместиться в решетке льда, мигрируют из раствора и перераспределяются на границе раздела твердое тело – вода. В результате во время этого процесса жидкость вдоль границы раздела должна быть обогащена газом. ^1,3,4 По мере того, как замерзание продолжается, концентрация растворенных газов превышает критическое значение, водосодержащая жидкость на границе раздела становится перенасыщенной, и пузырьки газа могут зарождаться и увеличиваться до видимого размера либо вдоль границы раздела, либо / или оказаться в ловушке продвигающегося твердого тела. ^3,5–7

Концентрация газа в биологических жидкостях играет важную роль при криоконсервации органов для трансплантации. Крайне важно использовать полуэмпирическую теорию кристаллизации Бутрона вместе с методом микроскопии для количественного определения содержания газа и льда в тонких пленках растворов для стеклования. ^8,9 Было показано, что растворенный газ в жидкостях играет важную роль при изучении эффекта криоконсервации эмбриона мыши и изолированных гепатоцитов. ^10,11

В контексте криоконсервации изменение содержания газа изменяет однородность теплового потока во время охлаждения.Когда содержание газа уменьшается, это ограничивает количество мест, где может образоваться лед / пузырь. Поскольку места, где зарождаются лед / пузырьки, обладают противоположными свойствами теплового потока, ¹² они ослабляют тепловой поток. Следовательно, тепловой поток с пониженным содержанием газа становится более однородным и стабильным по сравнению с жидкостью с повышенным содержанием газа. Связанные с этим изменения теплового потока могут наблюдаться, например, когда сначала теплая вода, содержащая меньше растворенного газа, замерзает, а затем более холодная вода, содержащая больше растворенных газов.Это явление, также известное как эффект Мпемба, ^13–17 вызвано различными условиями охлаждения. Испарительное охлаждение, растворенные газы, конвекция, окружающая среда и переохлаждение — это параметры, которые контролируют величину эффекта Мпембы. ¹⁴

Более сложным условием является распределение температуры жидкости во время охлаждения. Когда жидкость охлаждается, в ней развиваются конвекционные токи, температура становится неоднородной, и жидкость больше не характеризуется простыми температурными градиентами. ¹⁴ Конвекционные токи заставляют первоначально более теплую жидкость иметь более высокую скорость передачи тепла от ее верхней поверхности. ¹⁸ На эффективность теплопередачи также влияют форма и размер геометрии объема жидкости. ¹⁵

Теплые и холодные жидкости различаются по своему равновесному содержанию газа, и именно это определяет свойства теплопроводности богатой водой жидкости. ^14,17 Эксперименты показывают, что эффект Мпемба возникает в богатой водой жидкости с удаленными растворенными газами, такими как растворенный CO ₂ . ^17,19 Сообщения о начале эффекта Мпемба предполагают, что это происходит из-за комбинации следующих трех параметров. Первый параметр — это конвективный перенос тепла в жидкости газами, растворенными в жидкости. Второй параметр — увеличение энтальпии замерзания жидкости растворенными газами. Измерения температуры показали, что изначально более теплая вода начинает замерзать раньше холодной из-за переохлаждения. ^13,20 В этом случае изначально более холодная вода переохлаждалась до более низкой температуры, прежде чем она начала замерзать.Третий параметр — уменьшение теплопроводности твердого тела из-за пузырьков включенных газов. ^4,17

Разрыв твердых тел при понижении температуры

Смеси жидкостей и твердых тел изменяют объем в зависимости от температуры. Когда жидкость превращается в твердое вещество, которое в основном состоит из водяного льда, происходит положительное изменение объема (объем твердых частиц увеличивается). При дальнейшем понижении температуры этого твердого тела возникает более одного поколения трещин.Это проиллюстрировано экспериментальным наблюдением ²¹ и показано на. Причина трещин во льду связана с изменением шага решетки при изменении температуры. Сначала, когда жидкая вода переходит в ледяную воду, объем увеличивается примерно на 10% по сравнению с объемом жидкости. Однако с дальнейшим снижением температуры размер кристаллической решетки льда уменьшается и создает условия накопления напряжений в общей структуре льда. По мере увеличения напряжения лед трескается, чтобы уменьшить накопленное напряжение.Трещины проходят через места с локальными максимумами газовых и солевых концентраций. Трещины продолжают развиваться по мере охлаждения затвердевших образцов до более низкой температуры. Как только материал достигает температуры 50 К, скорость уменьшения кристаллической решетки снижается, и частота разрушения прекращается. ²² Из-за переломов, вызванных термическим стрессом, замороженные криоконсервированные ткани становятся непригодными для трансплантации. ²³ Повторное разогревание такой замороженной ткани переломами приводит к кровотечению и медицинским осложнениям во время криохирургии. ²³

Плита с водой была охлаждена до температуры жидкого азота. Изображение слева показывает пропускание света через пластину деионизированной воды толщиной 0,5 мм (1 × 4,5 см). Следующие панели показывают развитие трещин льда в кросс-поляризованном свете. Уменьшение значения температуры показано под каждым изображением. Скорость охлаждения для этого процесса составляла около 1 град / мин.

Для возможной борьбы с интенсивным разрывом пласта недавно был использован инертный газообразный гелий в качестве агента для отвода тепла от внутренних органов во время замораживания.Стив ван Сикл представил на конференции SENS 6 набор данных, которые продемонстрировали эффективный теплообмен с использованием предварительно охлажденного газообразного гелия в качестве теплоносителя, ²⁴ , удаляющего тепло от органов при прохождении через кровеносную систему почек. Метод потока газообразного гелия претендовал на возможность снижения повреждения тканей во время криоконсервации путем стеклования, применимого при трансплантации органов. ^25–28 Два ограничения стеклования — это термомеханическое разрушение и биохимическая токсичность растворов для стеклования.Было показано, что нанесение гелия устраняет трещинообразование и снижает эффективную токсичность остеклованных криопротекторов в застеклованных почках свиней, а также увеличивает скорость охлаждения с 0 ° C до -100 ° C, сокращая время воздействия растворов криопротекторов. Однако газообразный гелий все еще может образовывать растворы внутри криопротектора. Это может привести к нарушению равномерности отвода тепла от органа и преимущественному развитию трещин из-за неоднородных твердых частиц.

Гибернация многоклеточных организмов, уроки других форм жизни

Беспозвоночные, такие как нематоды и тихоходки, отдельные бактерии, дрожжи и растения, обладают одним важным признаком.Это их способность выжить в среде, почти полностью лишенной воды. На протяжении десятилетий сухие организмы способны поддерживать ангидробиоз без видимых повреждений. ^29–31 После гидратации они возобновляют активную жизнь. ³²

Процессы, связанные с высыханием, вызывают существенное повреждение как белков, так и мембран, вызывая волну апоптоза, за которой следует гибель всего индивидуального организма. ³¹ Высушенный организм не может использовать какие-либо механизмы репарации для поврежденных макромолекул или белков, так как их метаболизм останавливается из-за отсутствия жидкой воды.Таким образом, может накапливаться значительное повреждение ДНК, превышающее определенный уровень, который препятствует способности клеток к восстановлению. ^33,34

Существует множество ангидробиотических организмов, которые приобрели уникальные механизмы, которые позволяют им избегать повреждений или успешно восстанавливать возникающие повреждения, при этом выживая при крайнем обезвоживании в своей криптобиотической форме. Этот эффект распространяется на выживание в космических условиях ³⁵ и воздействие температур от абсолютного нуля до температур около 373 К. ³⁶ Среди предложенных механизмов выживания — накопление совместимых осмолитов, таких как невосстанавливающий коллоидный дисахарид трегалоза, ³⁷ и индукция или уменьшение белка теплового шока Hsp70. ³⁸ Способность пережить иссушение включает сложную систему факторов, действующих на молекулярном, физиологическом и структурном уровнях. ³⁹ Важным промыслом является возможность реверсии повреждений ДНК. ^33,34 Предыдущие исследования ангидробиоза показали, что во время высыхания клетка способствует гликолизу с последующим анаболизмом аминокислот. ⁴⁰ Это связано с полигидроксисоединениями, в основном углеводами. ⁴¹ Стратегия выживания заключается в накоплении высоких концентраций малых углеводов, таких как трегалоза, сахароза, мальтоза или раффиноза, перед сушкой. ⁴² Трегалоза в высоких концентрациях содержится в ряде ангидробиотических организмов, включая дрожжи, эмбриональные цисты ракообразных и нематод. ³⁷ Этот механизм накопления влияет на роль специфических стрессовых белков (например,g., белки позднего эмбриогенеза и белки теплового шока), обеспечивающие защиту при высыхании. ^38,41

Было обнаружено много молекул, которые, как считается, участвуют в высыхании и напряжениях жидкости. Однако критические знания о регуляторной сети, поддерживающей связность клеточных структур и поддерживающую метаболические механизмы во время обезвоживания, фрагментарны и недостаточно понятны. ³²

Клеточный механизм размножения — сложный процесс.Могут быть простые микромасштабные физические параметры, которые могут управлять клеточными функциями, включая деление клеток. ⁴³ Полное высыхание связано с разрывом обеих цепей хромосомной ДНК. Из-за удлинения времени, в течение которого накапливаются повреждения ДНК у животных, когда они находятся в состоянии обезвоживания, внезапная потребность в репарации во время процесса гидратации подтверждает снижение выживаемости после длительных периодов ангидробиоза. ³³ Похоже, что организмы, которые могут пережить ангидробиоз, обладают уникальной способностью исправлять повреждения, полученные в виде двухцепочечных тормозов их ДНК.Предполагается, что это происходит из-за сахаров в коллоидной форме (трегалоза, сахароза и фруктоза), которые эти животные обеспечивают для образования аминокислот во время и после фазы сушки. ³² Подобное повреждение клеток происходит при воздействии радиации. ⁴⁴

Механизмы выживания, ответственные за противостояние различным стрессам окружающей среды, остаются в значительной степени необъясненными, несмотря на актуальность для быстро развивающейся области астробиологии. Когда мы наблюдаем за этими организмами (экстремофилами), измерение широкого диапазона условий окружающей среды решает конкретные стратегии выживания. ⁴⁵ Когда мы берем, к примеру, снижение температуры, клеточная химия замедляется и даже останавливается. Такое понимание механизма становится одной из основных задач астробиологии. ⁴⁶

Одноклеточные организмы, способные адаптироваться к экстремальным условиям (экстремофилы), широко исследуются. ⁴⁷ Многоклеточным организмам уделяется мало внимания. Среди них устойчивые организмы — нематоды. ^48–50 Они способны как к обезвоживанию ⁵¹ , так и к удержанию внутриклеточного льда. ⁵² Два других типа многоклеточных организмов, способных к выживанию при низких температурах, — это мошка ^53,54 и тихоходки, способные выдерживать множественные стрессы. ⁵⁵ Тихоходки стали моделью астробиологического исследования. ^56,57

Тихоходки

Тихоходки (водяные медведи) — беспозвоночные, длиной 0,1–1,0 мм, распространенные на Земле повсеместно. ^{39,56,58–60} У них развилось большое количество стадий покоя, которые можно отнести к диапаузе (энцистмент, цикломорфоз, покоящиеся яйца) и криптобиозу. ³⁹ Четыре типа криптобиоза: ангидробиоз (недостаток воды), аноксибиоз (недостаток кислорода), криобиоз (замораживание) и осмобиоз (высокая концентрация растворенных веществ) являются обычными для большинства. ^39,40 Тихоходки устойчивы к экстремальным изменениям окружающей среды, включая высыхание, замораживание и радиацию. ^35,40,44,61 В неблагоприятных условиях (во время криптобиоза) они снижают свою метаболическую активность до неопределяемого уровня ^40,60 и обезвоживаются, формируя состояние туннеля.Такое состояние позволяет им практически останавливать все биопроцессы на периоды, которые могут составлять значительную часть их жизни, до тех пор, пока условия окружающей среды не улучшатся и тихоходки не вернутся в свое активное состояние. ⁴⁰

Начальная и конечная фазы криптобиотического процесса являются наиболее важными для успешного выживания. Есть много морфологических, биохимических и физиологических этапов, которые необходимо поставить в определенном порядке. Следовательно, скорость сушки и замораживания, а также регидратации и оттаивания должна быть достаточно низкой, чтобы обеспечить необходимое время для выполнения этих процессов без ошибок. ⁵⁸ Кроме того, время, проведенное в криптобиотическом состоянии, абиотические параметры окружающей среды и условия, присутствующие во время начальной и конечной фаз (как биотических, так и абиотических), влияют на степень накопленного молекулярного повреждения после криптобиотического события. ^{33,37,39,60,61} Как высокая влажность, так и высокое парциальное давление кислорода могут иметь негативное влияние на выживаемость. ⁶² Кроме того, чрезвычайно низкие температуры, недоступные в естественной среде, могут помешать выживанию в криобиотическом состоянии. ⁶⁰ При ангидробиозе сообщалось о проблемах с утечкой содержимого клеток, если ангидробиотических животных регидратировали непосредственно в воде без предварительного воздействия условий высокой влажности. Прямое погружение образца в воду препятствовало восстановлению. ⁶² Непрерывное медленное снижение влажности помогает тихоходкам обезвоживаться достаточно медленно, чтобы они могли успешно войти в ангидробиотическое состояние. ³⁸

Когда тихоходки приближаются к обезвоживанию (содержание воды <3% от гидратированного животного), размер их тела уменьшается. ⁴⁴ В их десикационной форме метаболизм снижается до неизмеримого уровня, и животные выживают в состоянии покоя до тех пор, пока не изменятся условия окружающей среды (<10 лет), что позволит провести регидратацию и возобновить нормальную деятельность. ^62,63

Переход в состояние ангидробиоза позволяет тихоходкам минимизировать или избежать серьезных повреждений клеточных структур в периоды стресса окружающей среды. ⁶³ Одна идея, которая объясняет поддержание целостности клеток во время ангидробиоза, — это гипотеза замещения воды с важным предположением о накоплении совместимых растворенных веществ внутри клеток, например, многоатомных спиртов и некоторых невосстанавливающих коллоидных дисахаридов, таких как трегалоза. ^33,37,42 Они играют роль в защите клеток и биомолекул во время обезвоживания таким образом, что потеря водородных связей компенсируется обратимым взаимодействием с другими молекулами. ^33,42 Кроме того, гипотеза стеклования предполагает образование аморфных сахарных стекол во время высыхания в цитоплазме, которые защищают белки и мембраны. ^37,42,63 Стекло — это жидкое состояние с твердыми свойствами. В стеклообразном состоянии молекулы распределены случайным образом, как в жидкости, но молекулярная подвижность мала, как в твердом состоянии.Это приводит к молекулярной иммобилизации цитоплазмы, что дает защиту сухому организму. ⁴²

Накопление трегалозы было обнаружено у нескольких видов тихоходок. ³⁷ Однако обнаруженное в них количество (до 2,3% от сухого веса) ³⁷ значительно ниже по сравнению с другими ангидробиотическими организмами, ^33,39 и, следовательно, накопление трегалозы, похоже, не играет роли в тихоходки, чтобы пережить сильное иссушение. ^37,39,63 Кроме того, природа стрессовых белков и обильных белков позднего эмбриогенеза (обнаруженных у нематод и созревающих семян устойчивых к высыханию растений) повышает наш уровень понимания механизмов криптобиотики тихоходок. Они связаны с восстановлением молекулярных повреждений во время регидратации. ³⁸

Однако ангидробиотическая способность, вероятно, представляет собой несколько сложный набор условий, в которых используются различные молекулярные компоненты, такие как стрессовые белки и углеводы, которые скомпонованы вместе. ^37,38

Устойчивость тихоходок к низким температурам хорошо известна. ^58,63 Они считаются устойчивыми к замораживанию, то есть животными, переносящими ограниченную степень внеклеточного замораживания. ^51,58,61,63 Они выживают при замораживании, производя зародышеобразователи льда во внеклеточной жидкости, вызывая замораживание внеклеточной жидкости при несколько более высоких отрицательных температурах. Поскольку процесс замораживания происходит медленнее, он позволяет лучше контролировать биохимические процессы, и в результате организм может противостоять повреждениям, вызванным замораживанием.Во время этого процесса устойчивые к замораживанию организмы способны производить криопротектор. ^49,58,61,63

Было показано, что скорость продвижения твердофазного перехода через ткань имеет решающее влияние на выживаемость тихоходок. Выживаемость тихоходок снижается с понижением температуры зародышеобразования и увеличением скорости перехода жидкость / твердое тело. ^51,58,63,64 Вне клетки вновь образованный лед подвергает клетки и соединительные ткани обезвоживанию путем замораживания.Это время, когда внутриклеточные растворенные вещества начинают приближаться к насыщению, в то время как клетки осмотически дегидратируются. Однако, когда скорость перехода твердое тело / жидкость превышает определенный предел, тихоходки испытывают осмотический шок, который вызывает гибель незащищенных клеток. ⁵⁸

Тихоходки не только выживают при замораживании в обезвоженном состоянии, но также способны выдерживать воздействие -196 ° C при полной гидратации. ⁶⁰ Однако не так много экспериментальных исследований касалось способности тихоходок выживать в условиях замораживания в гидратированном состоянии. ⁶⁰ До 80% воды в организме превращается в лед, при этом низкая скорость охлаждения позволяет выжить нескольким специфическим криптобиотическим видам тихоходок, нематод, а также некоторым устойчивым к заморозкам насекомым. ⁵⁸

Тихоходки относятся к числу наиболее устойчивых к высыханию и радиации животных, и было показано, что они могут выжить при экстремальных уровнях ионизирующего излучения. ^35,44,57,61 Они переносят высокие дозы радиации, например, тысячи серых рентгеновских лучей, гамма-лучи, ^44,65 и тяжелые ионы. ⁴⁴

Методы

Чтобы убедиться, что концентрация газа в жидкостях застеклованной ткани контролирует процесс замораживания, мы провели контролируемый эксперимент с дистиллированной водой, содержащей растворенный воздух. Контейнер для воды имел размеры 0,5 × 40 × 40 мм, ограниченный двумя стеклянными пластинами, приклеенными к пластиковому листу толщиной 0,5 мм, с возможностью наблюдения за образованием льда при воздействии на эту установку 243 К. Скорость замерзания во время появления льда была оценена. как 1 К / мин на краю емкости, где впервые появился лед.Скорость оценивалась с помощью кремниевого диода, измеряющего температуру, прикрепленную к краю стеклянного контейнера. Портативная камера Gembird, работающая внутри морозильной камеры, отслеживала процесс замораживания.

Температура была дополнительно снижена до 93 К, а пары жидкого гелия применялись для охлаждения держателя в криогенном сосуде Дьюара с окнами с обеих сторон. Во всех случаях для прозрачного изображения льда использовался кросс-поляризованный свет. Листы поляризатора были размещены перпендикулярно друг другу с обеих сторон сборки стеклянной емкости со льдом.Снимал коммерческий фотоаппарат Nikon Coolpix S4200.

Образцы, использованные для криоконсервации, были предоставлены доктором Хорикава и состояли из обезвоженных животных (<3% воды), нанесенных на бумажную основу. Животные представляли собой чистую культуру Ramazzottius varieornatus ⁶⁶ , которую выращивали на зеленой водоросли Chlorella vulgaris в пищу. Для вылупления яиц этих тихоходок требуется 5,7 ± 1,1 дня, и животные начали откладывать яйца через 9 дней после их вылупления. Ramazzottius varieornatus имеет продолжительность жизни 35 ± 16.4 дня и приобрели ангидробиотическую способность на протяжении всего жизненного цикла на стадиях яйца, молоди и взрослой особи. Мы взяли 20 из этих тихоходок в их обезвоженных формах (чан) и 20 в гидратированных формах (капли воды) и поместили их на держатель образцов, предназначенный для холодильника для разбавления.

Холодильник (холодильник для разбавления с базовой температурой 0,039 K от Oxford Instruments, Великобритания) использует фазовый переход гелия 3 и гелия 4 для достижения низких температур ниже Кельвина.Скорость замораживания для охлаждения от комнатной температуры до 200 К составляла около 20 К / мин, от 200 до 100 К составляла около 10 К / мин, от 100 до 4 К около 2 К / мин и менее 1 К / мин до базовая температура холодильника 29 мК. Прогревание тихоходок происходит аналогичными, но обратными темпами только при потеплении между 270 и 295 К, скорость составляла около 1 К / мин. Тестирование длилось около 1 месяца, и, таким образом, эти 40 отдельных организмов испытывали температуру ниже 1 К в течение этого времени.После нагревания их до комнатной температуры (295 К) мы добавляли каплю воды обезвоженным и гидратированным людям и наблюдали за признаками жизни под бинокулярной лупой.

Результаты

При повторном согревании Ramazzottius varieornatus ⁶⁶ от криогенной температуры (со скоростью замораживания и нагревания 20 и 1 К / мин по температуре замерзания воды, соответственно) путем добавления капли воды на этих тихоходок при повторном нагревании. до 295 К 15 человек (75%) подали признаки жизни и начали жить.Это расширенная криорезистентность для этого вида. Все 20 гидратированных особей не проявляли никаких признаков жизни (движения) во время фазы согревания при использовании одних и тех же условий (скорости замораживания и нагревания 20 и 1 К / мин при температуре замерзания воды, соответственно) замораживания и согревание как у обезвоженных. Обратите внимание, что скорость замораживания была более чем на два порядка выше, чем скорость, показанная для предотвращения выживания гидратированных животных (0,1 К / мин). ⁶³

Объем воды, полностью замороженный при температуре 20 ° C, в первый раз занял 18 мин 17 сек.При повторной заморозке на это ушло всего 17 минут 12 секунд, 1 минута и пять секунд раньше. Каждый раз мы наблюдали пузырьки газа, вырывающиеся вдоль границы раздела лед / вода, с количеством пузырьков меньше половины от числа пузырьков во время второго замораживания. Каждый раз замороженный объем был больше по сравнению с жидкой водой из-за несоответствия объемов твердого и жидкого состояния воды.

Когда деионизированная вода продолжала охлаждаться до более низких температур (), мы наблюдали несколько поколений трещин.Были как крупномасштабные переломы (10 мм), так и мелкие (0,1 мм). Крупномасштабные трещины развивались в основном при температурах от 273 до 200 К. При дальнейшем охлаждении до 100 К мы регистрировали преимущественно мелкомасштабные трещины.

Обсуждение

Мы следуем развивающейся гипотезе о том, что устойчивость к повреждению от замерзания улучшается за счет сахаров, производимых как часть химии ядра. Сахара не только удерживают нити ДНК от миграции после возникновения двухцепочечного разрыва клетки, но также предоставляют ресурсы для анаболизма аминокислот, чтобы исправить приобретенное повреждение двухцепочечного разрыва после регидратации.Способность тихоходок восстанавливать повреждение, вызванное двухцепочечным разрывом, позволяет выжить не только в глубокой крио-среде, но и при более высокой дозе облучения на несколько порядков, чем доза, смертельная для человека. ^29,30,67 Чтобы исправить повреждение ДНК из-за двухцепочечных разрывов, сахара должны либо уже присутствовать рядом с волокном хроматина, предотвращая миграцию поврежденных цепей со своих позиций до разрывов, тем самым позволяя репарацию ДНК. механизм для устранения повреждений двухниточного тормоза.

Во время охлаждения тихоходок в их обезвоженном состоянии выжило 75% (15 из 20), а при охлаждении в гидратированном состоянии — 0% (0 из 20). В обоих случаях скорость охлаждения превышала 10 град / мин. Выживание обезвоженной группы показало, что во время дегидратации ⁶⁶ было достаточно времени, чтобы начать осаждение коллоидных сахаров, необходимых для выживания при гидратации. При замораживании гидратированных животных со скоростью 10 К / мин не было времени для осаждения криозащитных соединений, и все животные погибли.Однако есть альтернативное объяснение. Высокая скорость охлаждения могла вызвать осаждение льда, который из-за дифференциального сжатия приобрел микротрещины в клеточных структурах, которые было невозможно исправить, и в результате большая часть поврежденных клеток прошла через апоптоз, и животные погибли.

Чтобы понять этот результат, мы провели отдельный эксперимент при охлаждении плиты с водой. Успешная криоконсервация требует контроля основных физических параметров жидкостей во время образования льда и понимания процессов консервации в избранных естественных организмах.В этом случае мы фокусируемся на растворенных газах в жидкостях. Мы обсудили содержание газа в жидкостях организма и его влияние на образование льда и теплопроводность. Мы подозреваем, что различия теплового потока присутствовали при охлаждении тихоходок в их гидратированном состоянии. Гидратированное состояние гарантирует образование льда, связанного с необходимым разломом, как показано в, при использовании скорости охлаждения 1 К / мин. Мы хотели бы отметить, что трещиноватость, вероятно, будет критическим параметром для выживания тихоходок в гидратированном состоянии наряду с осаждением сахаров внутри клеток.Основываясь на данных о развитии трещин (), мы заключаем, что трещины представляют собой серьезный барьер для успешной криоконсервации многоклеточных тел в их гидратированном состоянии. Такого возникновения трещин, вероятно, можно избежать, если тела достаточно малы (мы обнаружили, что расстояние между трещинами меньше 0,1 мм дюйма) и скорость замерзания составляет порядка нескольких градусов в час. ⁶³ Таким образом, хотя предполагалось, что медленные скорости охлаждения необходимы для обеспечения времени для метаболической и биохимической подготовки к отрицательному воздействию, ^53,58,68 мы отмечаем, что, основываясь на наших данных, медленное охлаждение скорости важны с точки зрения минимизации трещин в дифференцированно сокращающихся твердых телах в небольшом многоклеточном организме.

Наше обсуждение причин морозостойкости выбранных организмов указывает на необходимость интенсивной дегидратации клеток перед замораживанием. Как только ткани обезвожены, отсутствие окружающего объема льда позволяет ткани сокращаться, и ткань получает меньше повреждений. 3% содержания воды может быть достаточно, чтобы предотвратить не только повреждение от замерзания, но и остановить все биопроцессы внутри клеток. Однако только обезвоживание не останавливает все биопроцессы, и для длительного хранения жизнеспособной криоконсервированной ткани может потребоваться криотемпературная среда. ^33,34 Мы предполагаем, что проблема криоконсервации снижает предотвращение жизнеспособности клеток при интенсивной дегидратации клеток многоклеточного тела, обеспечивая при этом сахара для процессов, связанных с оживлением организма. Это необходимый шаг для преодоления проблем, связанных как с растрескиванием ячеек, так и с повреждением льда.

В нашем простом эксперименте с пластиной жидкости образец с большими начальными значениями концентрации растворенных газов проводил тепло с меньшей скоростью, чем обедненная газом жидкость, используемая для второго замораживания.Из-за контрастного количества растворенных газов второй материал был лучшим проводником тепла, так как большая часть растворенного воздуха улетучилась во время первого замораживания (). По аналогии, когда жидкость, содержащаяся в криоконсервированном органе, переходит в твердое состояние, растворенные газы переносятся в область, где находятся последние карманы ткани, содержащей жидкость. Это места, которые содержат концентрированные газовые растворы, что приводит как к образованию аэрированных растворов сахара / соли, так и к образованию пузырьков во время перехода в твердое состояние.Эти места представляют собой те места, где теплопередача в микромасштабе более медленная, и их следует рассматривать как возможные нарушения гомогенного охлаждения из-за трещин во время попыток криоконсервации. Ослабление трещин в направлении расположения микропузырьков в замороженной ткани было подтверждено микроскопическим исследованием трещин, полученных на замороженной плите ().

Пузырьки газа осаждаются и поднимаются около продвигающейся границы раздела лед / вода (слева направо).Скорость охлаждения льда у кромки составляла 1 град / мин.

При тестировании процесса дальнейшего охлаждения сляба воды мы наблюдали развитие трещин при охлаждении до температур около -180 ° C (). При этой температуре мы не наблюдали значительного развития трещин (за исключением случайных мелкомасштабных трещин) при понижении температуры за пределы -180 ° C (-269 ° C) до температуры жидкого гелия. Фактически, большинство крупномасштабных трещин развивались между -60 ° C и -100 ° C ().Мы пришли к выводу, что эти переломы могут быть критическим барьером для успешной криоконсервации многоклеточной ткани в гидратированном состоянии. Альтернативой этому объяснению является то, что в гидратированном состоянии воды достаточно для образования внутриклеточного льда, тогда как в обезвоженном состоянии повышенное относительное содержание сахара в результате процесса дегидратации предотвращает образование внутриклеточного льда из-за меньшего количества воды.

Выводы

Обезвоженные тихоходки выживают при скорости охлаждения от 10 К / мин до 39 мК, в то время как гидратированные тихоходки — нет.Вероятно, это связано с трещинами.

Трещины в замороженной жидкости развиваются преимущественно в местах образования микропузырьков из-за растворенной газовой фазы до замораживания.

Жидкости, содержащей большее количество растворенных газов, требуется больше времени для перехода в твердое тело, чем жидкости, содержащей меньшее количество растворенных газов.

Обезвоживание многоклеточной ткани вместе с воздействием коллоидных сахаров на ткань может быть предпосылкой для успешной криоконсервации такой ткани.

Благодарности

Мэтью Маркли помог с чтением этой статьи и внес много предложений. Томоко Адачи, Карел Клетечка, Вилем Микула, Юлия Боднарик, Джей Червенак и Лева Макинтайр помогали с экспериментальными установками и обработкой данных. Г.К. был поддержан грантом Министерства образования, молодежи и спорта № LK21303 и план исследований Института геологии АН ЧР № RVO67985831.

Заявление об раскрытии информации об авторе

Никаких конкурирующих финансовых интересов не существует.

Ссылки

1. Инада Т., Хатакеяма Т., Такемура Ф.
Лед для хранения газа, выращенный из воды, содержащей микропузырьки. Int J Refrig.
2009; 32: 462–471 [Google Scholar] 2. Лучший БП.
Ишемическое повреждение сосудов и нейронов у крионированных пациентов. Rejuvenation Res.
2012; 15: 165–169 [PubMed] [Google Scholar] 3. Бари С.А., Халлетт Дж.
Зарождение и рост пузырьков на границе раздела лед-вода. J Glaciol.
1974; 13: 489–520 [Google Scholar] 4. Клетечка Г., Фишер Т., М.Л. Дж. И др. .
Колебания температуры подо льдом в Даймонд-Лейк, округ Хеннепин, Миннесота.Water Resour Res.
2013; 49: 3306–3313 [Google Scholar] 5. Carte AE.
Пузырьки воздуха во льду. Proc Phys Soc London.
1961; 77: 757–768 [Google Scholar] 6. Маэно Н.
Образование пузырьков воздуха в кристаллах льда. В кн .: Физика снега и льда. Сборник научных и академических статей Университета Хоккайдо: Хоккайдо, Япония; стр. 207–218; 1967 [Google Scholar] 7. Йошимура К., Инада Т., Кояма С.
Рост сферических и цилиндрических пузырьков кислорода на границе раздела лед-вода. Cryst Growth Des.
2008; 8: 2108–2115 [Google Scholar] 8.Лю Б., МакГрат Джей Джей, Ван Б.
Определение количества льда путем количественной микроскопии растворов для стеклования. Биопресерв Биобанк.
2008; 6: 261–268 [PubMed] [Google Scholar] 9. Колсон Г.Е., Моррис Г.Дж., Смит Д.
Криомикроскопическое исследование гиф penicillium-expansum при замораживании и оттаивании. J Gen Microbiol.
1986; 132: 183–190 [PubMed] [Google Scholar] 10. Гроссманн М., Эгозкуэ Дж., Сантало Дж.
Криоконсервация эмбрионов мышей, свободных от зон. Cryo-Lett.
1994; 15: 103–112 [Google Scholar] 11. Harris CL, Toner M, Hubel A и др..
Криоконсервация изолированных гепатоцитов — образование внутриклеточного льда в различных химических и физических условиях. Криобиология.
1991; 28: 436–444 [PubMed] [Google Scholar] 12. Дас С.Б., Аллея РБ.
Характеристика и формирование слоев таяния полярного снега: наблюдения и эксперименты из Западной Антарктиды. J Glaciol.
2005; 51: 307–312 [Google Scholar] 13. Ауэрбах Д.
Переохлаждение и эффект мпембы — когда горячая вода замерзает быстрее холодной. Am J Phys.
1995; 63: 882–885 [Google Scholar] 14. Дженг М.
Эффект Мпембы: когда горячая вода может замерзать быстрее холодной?
Am J Phys.2006; 74: 514–522 [Google Scholar] 15. Келл Г.С.
Замораживание горячей и холодной воды. Am J Phys.
1969; 37: 564–565 [Google Scholar] 16. Мпемба Е.Б., Осборн Д.Г.
Прохладный?
Phys Educ.
1969; 4: 172 [Google Scholar] 17. Войцеховски Б, Овчарек I, Беднарз Г.
Замораживание водных растворов, содержащих газы. Cryst Res Technol.
1988; 23: 843–848 [Google Scholar] 18. Дисон Э.
Кулер-нижний. Am J Phys.
1971; 6: 42–44 [Google Scholar] 19. Фримен М.
Еще круче — ответ?
Phys Educ.
1979; 14: 417–421 [Google Scholar] 20. Brownridge JD.Когда горячая вода замерзает быстрее, чем холодная? Поиски эффекта Мпембы. Am J Phys.
2011; 79: 78–84 [Google Scholar] 21. Клетечка К., Клетечка Г.
Предотвращение трещин при попытках криоконсервации. В: Стратегии инженерного незначительного старения (SENS): 4-я конференция, Кембридж, Великобритания, 2009 г., стр. S61 – S63 [Google Scholar] 22. Кинг Т.Т., Клетечка Г., Джа М.А. и др. .
Криогенные характеристики и испытания решеток микрозатворов с магнитным приводом для космического телескопа Джеймса Уэбба.J Micromech Microeng.
2005; 15: 1594–1600 [Google Scholar] 23. Надзими С., Рубинский Б.
Неинвазивное обнаружение трещин из-за термического напряжения в замороженных биологических материалах. Cryo-Lett.
1997; 18: 209–216 [Google Scholar] 24. ван Сикл С., Джонс Т.
Усовершенствованная технология криоконсервации органов методом витрификации. В: Стратегии искусственно незначительного старения (SENS): 6-я конференция, Кембридж, Великобритания, 2013 г., стр. S42 – S43 [Google Scholar] 25. Гавиш З., Бен-Хаим М., Арав А.
Криоконсервация цельной печени мышей и свиней.Rejuvenation Res.
2008; 11: 765–772 [PubMed] [Google Scholar] 26. Диттрих Р., Мюллер А., Хоффманн И. и др. .
Криоконсервация сложных систем: медленное замораживание еще не пришло. Rejuvenation Res.
2007; 10: 101–102 [PubMed] [Google Scholar] 27. Фахи GM, Вук Б.
Криоконсервация сложных систем: медленное замораживание еще не пришло — ответ. Rejuvenation Res.
2007; 10: 103–105 [PubMed] [Google Scholar] 28. Фахи GM, Wowk B, Wu J.
Криоконсервация сложных систем: недостающее звено в цепочке поставок регенеративной медицины.Rejuvenation Res.
2006; 9: 279–291 [PubMed] [Google Scholar] 29. Клетечка Г., Хорикава Д., Микула В. и др. .
Стойкость к субкельвину, ударопрочность и нейтронная доза тихоходки: ramazzottius varieoranatus. Криобиология.
2010; 61: 317–372 [Google Scholar] 30. Клетечка Г., Хорикава Д., Парсон А. и др. .
Нейтронная доза и сопротивление тихоходки ниже кельвина: ramazzottius varieoranatus. LPI Contrib.
2010; 04: 5478 [Google Scholar] 31. Wharton DA.
Ангидробиоз: модельный червь как модель?
Curr Biol.2011; 21: R578 – R579 [PubMed] [Google Scholar] 32. Шилл Р.О., Мали Б., Дандекар Т. и др. .
Молекулярные механизмы толерантности тихоходок: новые перспективы сохранения и стабилизации биологического материала. Biotechnol Adv.
2009; 27: 348–352 [PubMed] [Google Scholar] 33. Нойманн С., Реунер А., Браммер Ф. и др. .
Повреждение ДНК в клетках хранения ангидробиотических тихоходок. Comp Biochem Physiol A Mol Integr Physiol.
2009; 153: 425–429 [PubMed] [Google Scholar] 34. Schill RO, Neumann S, Reuner A, et al..
Обнаружение повреждений ДНК с помощью одноклеточного гель-электрофореза у ангидробиотических тихоходок. Comp Biochem Physiol A Mol Integr Physiol.
2008; 151: S32 – S32 [Google Scholar] 35. Йонссон К.И., Раббоу Э., Шилл Р.О. и др. .
Тихоходки выживают в космосе на низкой околоземной орбите. Curr Biol.
2008; 18: R729 – R731 [PubMed] [Google Scholar] 36. Hengherr S, Worland MR, Reuner A, et al. .
Устойчивость к высоким температурам у ангидробиотических тихоходок ограничена стеклованием. Physiol Biochem Zool.
2009; 82: 749–755 [PubMed] [Google Scholar] 37.Хенгерр С., Хейер А.Г., Колер Х.Р. и др. .
Трегалоза и ангидробиоз тихоходок — свидетельство расхождения в ответах на обезвоживание. FEBS J.
2008; 275: 281–288 [PubMed] [Google Scholar] 38. Йонссон К.И., Шилл Р.О.
Индукция Hsp70 путем высыхания, ионизирующего излучения и теплового шока у здоровяков Richtersius coronifer. Comp Biochem Physiol B Biochem Mol Biol.
2007; 146: 456–460 [PubMed] [Google Scholar] 39. Guidetti R, Altiero T, Rebecchi L.
О стратегиях покоя тихоходок. J. Insect Physiol.2011; 57: 567–576 [PubMed] [Google Scholar] 40. Beisser D, Grohme MA, Kopka J, et al. .
Интегрированные модули путей с использованием метаболических профилей с течением времени и данных EST из Milnesium tardigradum . BMC Syst Biol.
2012; 6:13. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 41. Хуанг З.Б., Туннаклифф А.
Криптобиоз, старение и рак: балансировка инь-янь сигнальных сетей. Rejuvenation Res.
2006; 9: 292–296 [PubMed] [Google Scholar] 42. Волкерс В.Ф., Таблин Ф., Кроу Дж. Х.
От ангидробиоза до сублимационной сушки эукариотических клеток.Comp Biochem Physiol A Mol Integr Physiol.
2002; 131: 535–543 [PubMed] [Google Scholar] 43. Клетечка Г, Зила В, Климова Л.
Эффективность роста клеток при создании небольших очагов электрического тока вдоль стенок клеток. Rejuvenation Res.
2014; 17: 226–228 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 44. Хорикава Д.Д., Сакашита Т., Катагири С. и др. .
Радиационная устойчивость тихоходок Milnesium tardigradum . Int J Radiat Biol.
2006; 82: 843–848 [PubMed] [Google Scholar] 45. Маттимор V, Баттиста-младший.Радиорезистентность Deinococcus radiodurans : функции, необходимые для выживания при ионизирующем излучении, также необходимы для выживания при длительном высыхании. J Bacteriol.
1996; 178: 633–637 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 46. Марэ Д. Д., Алламандола Л. Дж., Беннер С. А. и др. .
Дорожная карта астробиологии НАСА. Астробиология.
2003; 3: 219–235 [PubMed] [Google Scholar] 47. Нихаус Ф., Бертольдо С., Калер М. и др. .
Экстремофилы как источник новых ферментов для промышленного применения. Appl Microbiol Biotechnol.1999; 51: 711–729 [PubMed] [Google Scholar] 48. Смит Т., Уортон Д.А., Маршалл С.Дж.
Холодостойкость антарктической нематоды, которая переживает внутриклеточное замораживание: сравнение с другими видами нематод. J Comp Physiol B Biochem Syst Environ Physiol.
2008; 178: 93–100 [PubMed] [Google Scholar] 49. Кальдерон С., Холмструп М., Вест П. и др. .
Двойная роль глюкозы в морозостойком дождевом черве Dendrobaena octaedra : криозащита и топливо для метаболизма. J Exp Biol.
2009; 212: 859–866 [PubMed] [Google Scholar] 50.Хаяси М., Уортон Д.А.
Овсяная нематода Panagrellus redivivus выдерживает умеренно низкие температуры благодаря морозостойкости и криопротекторной дегидратации. J Comp Physiol B Biochem Syst Environ Physiol.
2011; 181: 335–342 [PubMed] [Google Scholar] 51. Wharton DA, Goodall G, Marshall CJ.
Выживаемость при замораживании и криопротекторная дегидратация как механизмы устойчивости к холоду у антарктической нематоды Panagrolaimus davidi . J Exp Biol.
2003; 206: 215–221 [PubMed] [Google Scholar] 52. Wharton DA, папоротник DJ.Выживаемость при внутриклеточном замораживании антарктической нематодой Panagrolaimus-davidi . J Exp Biol.
1995; 198: 1381–1387 [PubMed] [Google Scholar] 53. Ли Р.Э., Ельницкий М.А., Райнхарт Дж. П. и др. .
Быстрое закаливание повышает морозостойкость антарктической мошки Belgica antarctica. J Exp Biol.
2006; 209: 399–406 [PubMed] [Google Scholar] 54. Ельницкий М.А., Хейворд С.А., Райнхарт Дж. П. и др. .
Криопротекторная дегидратация и устойчивость к инокулятивному замораживанию у антарктических мошек, Belgica antarctica.J Exp Biol.
2008; 211: 524–530 [PubMed] [Google Scholar] 55. Кавиккиоли Р.
Экстремофилы и поиск внеземной жизни. Астробиология.
2002; 2: 281–292 [PubMed] [Google Scholar] 56. Йонссон К.И.
Тихоходки как потенциальный модельный организм в космических исследованиях. Астробиология.
2007; 7: 757–766 [PubMed] [Google Scholar] 57. Хорикава DD.
Выживание тихоходок в экстремальных условиях: модельное животное для астробиологии. В: Anoxia: Evidence for Eukaryote Survival and Paleontological Strategies, Vol. 21 год
Альтенбах А.В.Бернхард Дж. М., Зекбах Дж. (Ред.) Спрингер: Дордрехт; п. 207; 2012 [Google Scholar] 58. Hengherr S, Worland MR, Reuner A, et al. .
Морозостойкость, точки переохлаждения и образование льда: сравнительные исследования выживания при минусовых температурах лимно-наземных тихоходок. J Exp Biol.
2009; 212: 802–807 [PubMed] [Google Scholar] 59. Нельсон ДР.
Современное состояние тихоходок: эволюция и экология. Интегр Комп Биол.
2002; 42: 652–659 [PubMed] [Google Scholar] 60. Сомме Л, Мейер Т.
Холодостойкость тихоходок из Дроннинг-Мод-Лэнд, Антарктида.Polar Biol.
1995; 15: 221–224 [Google Scholar] 61. Хальберг К.А., Перссон Д., Рамлов Н. и др. .
Цикломорфоз тихоходок: адаптация к ограничениям окружающей среды. J Exp Biol.
2009; 212: 2803–2811 [PubMed] [Google Scholar] 62. Guidetti R, Jonsson KI.
Долгосрочная выживаемость ангидробиотиков у полуземных микрометазоа. J Zool.
2002; 257: 181–187 [Google Scholar] 63. Хенгерр С., Реунер А., Браммер Ф. и др. .
Кристаллизация льда и морозостойкость на эмбриональных стадиях тихоходки Milnesium tardigradum .Comp Biochem. Physiol A Mol Integr Physiol.
2010; 156: 151–155 [PubMed] [Google Scholar] 64. Райт Дж.
Криптобиоз 300 лет спустя от ван Левенгука: что мы узнали о тихоходках?
Zool Anz.
2001; 240: 563–582 [Google Scholar] 65. Йонссон К.И., Хармс-Рингдал М., Торудд Дж.
Радиационная устойчивость эвтардиграды Richtersius coronifer . Int J Radiat Biol.
2005; 81: 649–656 [PubMed] [Google Scholar] 66. Хорикава Д.Д., Куниеда Т., Абе В. и др. .
Создание системы выращивания экстремально толерантных тихоходок Ramazzottius varieornatus: нового модельного животного для астробиологии.Астробиология.
2008; 8: 549–556 [PubMed] [Google Scholar] 67. Клетечка Г., Микула В., Червенак Дж. И др. .
Радиационная стойкость тихоходки: ramazzottius varieoranatus Путь к радиационно-стойким астронавтам? В: 61-й Международный астронавтический конгресс, Прага, Чешская Республика, 2010 [Google Scholar] 68. Wharton DA, Downes MF, Goodall G и др. .
Замораживание и криозащитное обезвоживание у антарктической нематоды (Panagrolaimus davidi), визуализированное с помощью метода замещения замораживания. Криобиология.