Τι συμβαίνει όταν προστίθεται πάγος στο ζεστό νερό και πώς θα αλλάξει η ενέργεια;

Όταν προσθέτετε πάγο σε ζεστό νερό, μέρος της θερμότητας του νερού λιώνει τον πάγο. Η εναπομένουσα θερμότητα θερμαίνει το παγωμένο νερό αλλά ψύχει το ζεστό νερό κατά τη διαδικασία. Μπορείτε να υπολογίσετε την τελική θερμοκρασία του μείγματος εάν γνωρίζετε πόση ποσότητα ζεστού νερού ξεκίνησε, μαζί με τη θερμοκρασία του και πόσος πάγος προσθέσατε. Δύο φυσικές ιδιότητες - η συγκεκριμένη θερμότητα και η θερμότητα της σύντηξης - καθορίζουν ακριβώς πώς λιώνει ο πάγος και κρυώνει το νερό.

Η ειδική θερμότητα μιας ουσίας μετρά πόση ενέργεια χρειάζεται για να αυξήσει τη θερμοκρασία της. Για παράδειγμα, όταν προσθέτετε 1 θερμίδα θερμότητας σε 1 γραμμάριο νερού, θερμαίνεται κατά 1 βαθμό Κελσίου (1,8 βαθμοί Φαρενάιτ). Το αντίθετο ισχύει όταν το νερό κρυώνει. ένα γραμμάριο νερού που πέφτει 1 βαθμός Κελσίου χάνει 1 θερμίδα θερμικής ενέργειας. Άλλες ουσίες έχουν διαφορετικές ειδικές θερμάνσεις. Για παράδειγμα, χρειάζονται μόνο 0,03 θερμίδες για να θερμανθεί ένα γραμμάριο μολύβδου κατά 1 βαθμό Κελσίου.

Ένα δοχείο νερού χάνει 1 θερμίδα για κάθε βαθμό Κελσίου που κρυώνει. Ωστόσο, όταν φτάσει τους μηδέν βαθμούς Κελσίου (32 βαθμούς Φαρενάιτ), η κατάσταση αλλάζει - το νερό μετατρέπεται σε πάγο. Αυτή η διαδικασία περιλαμβάνει πολύ περισσότερη θερμική ενέργεια - 79,7 θερμίδες ανά γραμμάριο - και η θερμοκρασία του μείγματος νερού-πάγου δεν αλλάζει έως ότου παγώσει όλα στερεά. Όταν μια ουσία διέρχεται από αυτήν τη φάση, η ενέργεια ονομάζεται θερμότητα σύντηξης. Τα μόρια του νερού χάνουν επιπλέον ενέργεια καθώς συσσωρεύονται σε ένα στερεό. Μόλις σχηματιστεί πάγος, αλλάζει τη θερμοκρασία σύμφωνα με τη δική του συγκεκριμένη θερμότητα - 0,49 θερμίδες ανά βαθμό Κελσίου.

Για να προσδιορίσετε ακριβώς πώς αλλάζει η ενέργεια όταν προσθέτετε πάγο σε ζεστό νερό, χρειάζεστε τη μάζα του πάγου και του νερού καθώς και τη θερμοκρασία του νερού. Για παράδειγμα, λόγω της ειδικής τιμής θερμότητας, ένα λίτρο ζεστού νερού στους 75 βαθμούς Κελσίου (167 βαθμούς Φαρενάιτ) έχει 75.000 θερμίδες ενέργειας περισσότερο από την ίδια ποσότητα νερού στους 0 βαθμούς Κελσίου (32 βαθμούς Θερμόμετρο Φαρενάιτ). Η προσθήκη 100 γραμμαρίων πάγου στο νερό απαιτεί 7.970 θερμίδες για να το λιώσει. η διαθέσιμη ενέργεια γίνεται 67.030 θερμίδες. Μόλις γίνει νερό, τα 100 γραμμάρια παίρνουν 1 θερμίδα ανά βαθμό από την εναπομένουσα θερμότητα στο ζεστό νερό, αλλά η θερμότητα δεν «χάνεται» - απλά έχει μετακινηθεί στο κρύο νερό.

Καθώς το ζεστό νερό χάνει 7.970 θερμίδες για να λιώσει τον πάγο, το νερό ψύχεται από 75 έως 67 βαθμούς Κελσίου (153 βαθμούς Φαρενάιτ). Το ζεστό νερό χάνει θερμότητα, ενώ το κρύο νερό από τον λιωμένο πάγο κερδίζει θερμότητα. Σε αυτό το παράδειγμα, προστίθενται μόνο 100 γραμμάρια πάγου σε 1.000 γραμμάρια νερού. Επομένως, το ζεστό νερό χάνει μια μικρή ποσότητα θερμοκρασίας, ενώ το κρύο νερό θερμαίνεται με μεγαλύτερο αριθμό βαθμών. Διαιρώντας 67.030 διαθέσιμες θερμίδες με 1.100 συνολικά γραμμάρια νερού δίνει μια τελική θερμοκρασία περίπου 61 βαθμούς Κελσίου (142 βαθμούς Φαρενάιτ). Το ζεστό νερό χάνει συνολικά 14 βαθμούς Κελσίου (57 βαθμούς Φαρενάιτ) και το κρύο νερό κερδίζει 61 βαθμούς Κελσίου. Σημειώστε ότι τα αποτελέσματα εξαρτώνται από τον πόσο και το ζεστό νερό που έχετε στην αρχή. Εάν προσθέσετε έναν τόνο πάγου σε 1.000 γραμμάρια νερού, το ζεστό νερό δεν θα έχει αρκετή θερμότητα για να λιώσει όλο τον πάγο.