飞机防结冰的思考

近来，北方温度急剧降低，各种冰雪美景接踵而至，细细想来，感觉自然甚是奇妙，蕴含各种和谐之美，冥冥之中使得各种事物达到均衡。例如：水在结冰过程中为何会需要形核，形核之后那些能量相互博弈，使得冰核继续增大，进而形成可见的冰层。众所周知，熵增原理给出了系统的演化方向，因此，水结冰又可以描述为水朝着势能降低的方向，选择阻力最小、速度最快的途径，进而形成最适合当前环境的新结构（冰）。（具体理论基础如下所示）

结冰是自然界最常见的相变现象，在儿时的记忆里，冰雪时常相伴出现，依稀还记得年少滑冰的场景，动不动就被摔出来一个四脚朝天，承载着儿时满满的欢乐。

作为一个喜欢阳光、喜欢温暖的90后，我不会告诉大家我最喜欢的是美图，😄！

——前言

No.1

临界形核实验验证

近一个世纪以来，人们一直认为冰核化需要形成一个“临界冰核”。但是，由于这种冰核具有偶然性、瞬态性和纳米尺度性质，给微观探测带来极大难度，因此还没有直接的实验证据证明这种冰核的存在。

近来，中科院化学所通过设计制备系列具有冰成核活性且尺寸可调的氧化石墨烯纳米片（GOs），从实验上证实了临界冰核的存在，相关工作在Nature上发表（Probing the critical nucleus size for ice formation with graphene oxide nanosheets）

与当前工作相结合的点：

1、该工作主要是通过实验手段证实了临界冰核的存在，然而，实验过程中氧化石墨烯尺寸的选取是基于临界冰核的理论计算而来，因此，我们是否能够基于该理论，研究表面形貌对结冰过程的影响（具有成熟的理论），然后通过分子动力学去验证结果的准确性。

2、生活于酷寒地区生物体内的抗冻蛋白能抑制冰晶的形成和生长，其相关的原理是什么？

No.2

临界成核理论基础

水结冰现象广泛存在于输电线路、通信、航空、航海及高铁运输设备等，造成不同程度的危害。为此，人们采用许多防覆冰和抗结冰的方法（传统方法主要基于融冰和除冰），例如，机械除冰、热力除冰、敷设发热导体等，然而这些方法具有许多不足之处，因此，开发一种持久耐用的防冰材料具有重要意义，延缓冰在表面形核，进而在重力、风力等外力作用下，从材料表面移除过冷水滴。

水在固体表面上的结冰是一个复杂的相变过程，众多因素都会对此产生影响，例如：水中所含的杂质、气体流动、周围环境的相对湿度、固体表面性质等都对冰的成核具有极大地影响，因此，本节主要对相关理论基础进行归纳整理，具体如下：

根据热力学第二定律，凝固形核过程中，判断过程进行方向的体系吉布斯自由能判据为：

第一项为体积吉布斯自由能增量；第二项为表面吉布斯自由能增量，其中：

在过冷水体内形成的冰核，其形状在表面张力的作用下是一球体，形成该冰核前后的吉布斯自由能变化量（形核功）为：

过冷水的行核功

固体表面通常都是凸凹不平的，在不同表面上形核将具有不同的几何形状，不同的形状将具有不同的冰核体积和表面积，因而也将具有不同的体积自由能和界面自由能变化，最终导致形核功的大小、形核难易程度、形核率的不同。其中，在锥尖、锥坑以及平面上等表面形核时的形核功公式及其变化规律、影响因素具有详细的推导过程（详细参考：张成虎：提取冷水凝固潜热的换热理论与装置 ）（感觉有些博士论文内容好多呀!😅）

平面上的行核与接触角

临界锥坑内可能冰核

No.3

问题思考与回答

问题一：飞机表面为何会结冰，是过冷水的积聚还是水（常温）先积聚，然后在气流作用下温度降低，进而结冰？

问题二、飞机机翼结冰的能量从哪里来，在防止结冰的时候要把能量转换到哪里去（耗散在空气中）？

问题三、飞机机翼结冰需要的水从哪里来？如果采用超疏水材料，材料表面微结构对气动性能会不会有影响？

问题四、临界成核的本质是什么，为什么冰核的尺寸会影响结冰的趋势？

问题五、能否用均衡的思想来解释该现象？

问题六、固体表面形状对成核尺寸的影响？

问题七、液体粘性系数等物理参数对成核尺寸的影响？

（本来还想要整理相关的答案，然而近来忙忙碌碌，之后有时间在整理吧！😂）

No.4

附录

1、一百多年前，美国物理化学家吉布斯等人提出了 “经典成核理论”：认为水结冰这类相变需要经过成核过程；

2、自然界的物质都有从高能量向低能量变化的趋势，低温条件下冰比水的自由能更低，所以液态水有结成冰块的趋势；

其中，相变的阻力就是表面积增加所带来的表面吉布斯自由能增量（ ∆GS>0），而相变的动力就是体积吉布斯自由能增量（∆GV<0）；

3、异质形核一般是在容器或管道表面或者悬浮杂质的表面形成冰核。