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Freezing Potentials and Currents in Potassium Fluoride Solutions at Constant Growth Rates

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

T. O’D. Hanley
Affiliation:
Saint Louis University, Saint Louis, Missouri 63103, U.S.A.
A. H. Weber
Affiliation:
Saint Louis University, Saint Louis, Missouri 63103, U.S.A.
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Abstract

The Workman–Reynolds effect was studied in the growth of ice on a monocrystalline seed, at constant growth rates and under steady-state conditions, from KF solutions at concentrations from 2 × 10−5 to 10 × 10−5 Normal. Freezing potentials increased with growth rate to a maximum of 12 V at 11.2 μm/s. Discharge currents through a 105 Ω shunt generally increased with freezing rate until a maximum of 1.5 μA at 11.2 μm/s. The charge transfer decreased with growth rate to 200 μC at 10.3 μm/s and then reached a maximum of 850 μC at 11.2 μm/s. Apparent diffusion coefficients of about 2 × 10−3 mm2/s increased slowly with growth rate until a rapid increase began, apparently associated with interface breakdown. Distribution coefficients of the order of 10−3, calculated from a criterion for constitutional supercooling, increased with concentration. Parameters for LeFebre’s model of the interface showed an interface thickness of about 6 mm, an interface capacitance near one-half pF/mm2, and an interface resistance of about 6 × 104 Ω/mm2. Several empirical relations between these quantities were disclosed. Comparison with values obtained for KC1 solutions with the same freezing cell shows that the KF solutions yielded higher values of freezing potential, charge transfer, and distribution coefficient, and lower values of diffusion coefficient, interface capacitance, and interface resistance.

L’effet Workman–Reynolds a été étudié lors de la croissance de la glace, à des taux constants et pour des conditions à l’état permanent, sur un germe monocrystallin obtenu de solutions de KF à des concentrations variées entre 2 × 10−5 et 10 × 10−5 mol/1. D’une part les potentiels de congélation ont augmentés, en fonction du taux de croissance, jusqu’à un maximum de 12 V à 11,2 μm/s. D’autre part les courants de décharge, à travers un circuit dérivé d’une résistance de 105 Ω, ont augmentés jusqu’à une valeur de 1,5 μA, à 11,2 μm/s, en fonction du taux de congélation. En fonction du taux de croissance, le transfert de charge a d’abord diminué jusqu’à 200 μC à 10,3 μm/s pour ensuite augmenter jusqu’à une valeur maximale égale à 850 μC à 11,2 μm/s. Le coefficient apparent de diffusion augmente d’abord lentement en fonction du taux de croissance (valeur moyenne de 2 × 10−3 mm2/s), puis augmente très rapidement par le suite. Le coefficient de distribution, égal à environ 10−3, calculé à l’aide d’un critère de surfroidissement, augmente avec la concentration. Les paramètres du modèle de LeFebre donnent une interface d’environ 6 mm, une capacitance d’un demi-pF/mm2, et une résistance d’environ 6 × 104 Ω/mm2. Plusieurs relations empiriques reliant ces paramètres ont été déterminées. La comparaison entre les valeurs obtenues pour des solutions de KCl et de KF, en utilisant la même cellule de congélation, montre que les solutions, de KF donnent des valeurs plus grandes pour le potentiel de congélation, le transfert de charge, et le coefficient de distribution, et des valeurs plus faibles pour la capacitance et la résistance de l’interface.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Der Workman–Reynolds-Effekt wurde beim Wachstum von Eis um einen monokristallinen Kern bei konstanten Wachstumsraten und inter stetigen Bedingungen aus KF-Lösungen mit Konzentrationen von 2 × 10−5 bis 10 × 10−5 Normal untersucht. Die Gefrierspannung nahm mit der Wachstumsrate bis zu einem Höchstwert von 12 V bei 11,2 μm/s zu. Die Entladungsströme durch einen 105 Ω-Nebenschluss nahmen im allgemeinen mit der Gefrierrate bis zu einem Höchstwert von 1,5 μA bei 11,2 μm/s zu. Die Ladungsübertragung nahm mit der Wachstumsrate bis zu 200 μC bei 10,3 μm/s ab und erreichte dann ein Maximum von 850 μC bei 11,2 μm/s. Die scheinbaren Diffusionskoeffizienten von ungefähr 2 × 10−3 mm2/s stiegen zuerst langsam mit der Wachstumsrate an, bis ein schnelles Ansteigen begann, was anscheinend mit einem Zusammenbruch der Verwachsungsflächen zusammenhing. Die Verteilungskoeffizienten in der Grössenordnung 10−3, berechnet aus einem Kriterium für konstitutionelle Unterkühlung, nahmen mit der Konzentration zu. Die Parameter des Modells von LeFehre für die Verwachsung führten auf eine Dicke der Verwachsungszonen von ungefähr 6 mm, eine Kapazität von ein Halb pF/mm2 und einen Widerstand von ca. 6 × 104 Ω/mm2. Mehrere empirische Beziehungen zwischen diesen Grössen wurden gefunden. Ein Vergleich mit Werten, die bei Verwendung von KCl-Lösungen in dergleichen Kältekammer erhalten worden waren, zeigt, dass bei den KF-Lösungrn für Gefrierspannung, Ladungsübertragung und Verteilungskoeffizient grössere, für den Diffusionskoeflizienten, die Verwachsungskapazität und den Verwachsungswiderstand hingegen kleinere Werte auftreten.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1973
Figure 0

Fig. 1. Schematic diagram of the cell used for growing crystals and the associated electrical apparatus. The tube and cap are of acrylic plastic (“Lucite”). A, wires from the thermistor to a resistance bridge. B, wire from the upper electrode to the electrometer. C, wires from the lower electrodes to a double-pole double-throw switch. The three electrodes are of platinum wire 0.36 mm in diameter; the two lower electrodes are placed parallel, 3 mm apart.

Figure 1

Table I Mean values for the maximum freezing potential of the liquid with respect to the ice and for the maximum current and the total charge transfer through a 100 kΩ shunt, for ice grown from KF solutions. Charge per unit volume is also given, for a volume of 11.24 × 106 m3of ice between the lower and upper electrodes

Figure 2

Fig. 2. Plot of maximum freezing potential Vm versus growth rate R. Vertical bars on points for 5 × 10−5 Normal represent the spread of the data.

Figure 3

Table II. Mean values for the apparent coefficient of diffusion D and the apparent coefficient of distribution K as calculated from Equation (2)

Figure 4

Fig. 3. Plot of apparent diffusion coefficient D versus growth rate R, shown only for R less than 9 μm/s.

Figure 5

Fig. 4. Plot of interface thickness q0′ versus growth rate R. For each growth rate the mean over all concentrations studied has also been plotted. Vertical bars on points for 5 × 10−5 Normal solutions represent the spread of the data.

Figure 6

Table III. Mean values for the thickness, capacitance, and generator parameter of the interface and for the ionic separation parameter in the LeFebre model for the water–ice interface in KF solutions at constant growth rates. The area of the interface was 531 mm2

Figure 7

Fig. 5. Plot of maximum discharge current Im through a 100 kΩ shunt, versus growth rate R. The vertical bars shown (where the spread is large enough) for 5 × 10−5 Normal represent the spread of the data.

Figure 8

Fig. 6. Plot of total charge transfer Q, through a 100 kΩ shunt versus growth rate R. Vertical bars on points for 5 × 10−5 Normal represent the spread of the data.

Figure 9

Fig. 7. Charge transfer Q versus the ratio of maximum discharge current Im to freezing rate R.

Figure 10

Table IV. The apparent coefficient of distribution K for KF solutions as calculated from the condition for constitutional supercooling

Figure 11

Fig. 8. The ratio of the charge transfer Q to the interface thickness q0′, averaged over all concentrations, versus the freezing rate R.

Figure 12

Fig. 9. The ratio of the charge transfer per unit volume of ice between the electrodes, P, to the charge generator parameter Ig′ averaged over all concentrations, versus the freezing rate R.

Figure 13

Fig. 10. Maximum freezing potential Vm versus the charge generator parameter Ig′.

Figure 14

Fig. 11. Plot of the difference between the ionic distribution coefficients (KK+) versus maximum freezing potential Vm, Straight lines join points for the same concentration in order according to the growth rate.

Figure 15

Table V. Comparison between the results, under similar growth conditions, for KCl solutions by Osterkamp and Weber (1970) and for KF solutions as presented in this paper