Какво се случва при добавяне на лед към гореща вода и как ще се промени енергията?

Когато добавите лед към гореща вода, част от топлината на водата топи леда. Останалата топлина затопля ледено студената вода, но охлажда горещата вода в процеса. Можете да изчислите крайната температура на сместа, ако знаете с колко гореща вода сте започнали, заедно с нейната температура и колко лед сте добавили. Две физични свойства - специфичната топлина и топлината на синтез - определят как точно се топи ледът и водата се охлажда.

Специфичната топлина на дадено вещество измерва колко енергия е необходима за повишаване на температурата му. Например, когато добавите 1 калория топлина към 1 грам вода, тя се затопля с 1 градус по Целзий (1,8 градуса по Фаренхайт). Обратното е вярно, когато водата се охлади; грам вода, която пада на 1 градус по Целзий, губи 1 калория топлинна енергия. Други вещества имат различна специфична топлина. Например отнема само 0,03 калории, за да се нагрее грам олово с 1 градус по Целзий.

Контейнер с вода губи 1 калория за всеки градус по Целзий, който охлажда. Когато обаче достигне нула градуса по Целзий (32 градуса по Фаренхайт), ситуацията се променя - водата се превръща в лед. Този процес включва много повече топлинна енергия - 79,7 калории на грам - и температурата на водно-ледената смес не се променя, докато цялата замръзне. Когато веществото премине през тази фаза, енергията се нарича топлина на синтез. Водните молекули губят допълнителна енергия, докато се сгушават в твърдо вещество. След като ледът се образува, той променя температурата според собствената си специфична топлина - 0,49 калории на градус по Целзий.

За да определите как точно се променя енергията, когато добавяте лед към гореща вода, имате нужда от масата на леда и водата, както и от температурата на водата. Например, поради специфичната си топлинна стойност, един литър гореща вода при 75 градуса по Целзий (167 градуса Фаренхайт) има 75 000 калории енергия повече от същото количество вода при 0 градуса по Целзий (32 градуса Фаренхайт). Добавянето на 100 грама лед към водата отнема 7 970 калории, за да се стопи; наличната енергия става 67 030 калории. След като стане вода, 100 грама отнема 1 калория на градус от останалата топлина в горещата вода, но топлината не се „губи“ - тя просто се премества в студената вода.

Тъй като горещата вода губи 7970 калории, за да разтопи леда, водата се охлажда от 75 до 67 градуса по Целзий (153 градуса по Фаренхайт). Горещата вода губи топлина, докато студената вода от разтопения лед печели топлина. В този пример само 1000 грама лед се добавят към 1000 грама вода. Следователно горещата вода губи малко количество температура, докато студената вода се загрява с по-голям брой градуси. Разделянето на 67 030 налични калории на общо 1100 грама вода води до крайна температура от около 61 градуса по Целзий (142 градуса по Фаренхайт). Топлата вода губи общо 14 градуса по Целзий (57 градуса по Фаренхайт), а студената вода набира 61 градуса по Целзий. Имайте предвид, че резултатите зависят от това колко лед и топла вода имате в началото. Ако добавите един тон лед към 1000 грама вода, горещата вода няма да има достатъчно топлина, за да разтопи целия лед.