Cuando agrega hielo al agua caliente, parte del calor del agua derrite el hielo. El calor restante calienta el agua helada pero enfría el agua caliente en el proceso. Puede calcular la temperatura final de la mezcla si sabe con cuánta agua caliente comenzó, su temperatura y la cantidad de hielo que agregó. Dos propiedades físicas, el calor específico y el calor de fusión, determinan exactamente cómo se derrite el hielo y cómo se enfría el agua.
Calor especifico
El calor específico de una sustancia mide cuánta energía se necesita para elevar su temperatura. Por ejemplo, cuando agrega 1 caloría de calor a 1 gramo de agua, se calienta 1 grado Celsius (1.8 grados Fahrenheit). Lo contrario ocurre cuando el agua se enfría; un gramo de agua que cae 1 grado Celsius pierde 1 caloría de energía térmica. Otras sustancias tienen diferentes calores específicos. Por ejemplo, solo se necesitan 0.03 calorías para calentar un gramo de plomo en 1 grado Celsius.
Calor de fusión
Un recipiente de agua pierde 1 caloría por cada grado Celsius que enfría. Sin embargo, cuando alcanza los cero grados Celsius (32 grados Fahrenheit), la situación cambia: el agua se convierte en hielo. Este proceso implica mucha más energía térmica (79,7 calorías por gramo) y la temperatura de la mezcla de agua y hielo no cambia hasta que todo se congela. Cuando una sustancia pasa por esta fase, la energía se llama calor de fusión. Las moléculas de agua pierden energía extra cuando se agrupan en un sólido. Una vez que se ha formado el hielo, cambia la temperatura de acuerdo con su propio calor específico: 0,49 calorías por grado Celsius.
Cambio de energía
Para determinar exactamente cómo cambia la energía cuando agrega hielo al agua caliente, necesita la masa del hielo y el agua, así como la temperatura del agua. Por ejemplo, debido a su valor calorífico específico, un litro de agua caliente a 75 grados Celsius (167 grados Fahrenheit) tiene 75.000 calorías de energía más que la misma cantidad de agua a 0 grados Celsius (32 grados Fahrenheit). Agregar 100 gramos de hielo al agua requiere 7,970 calorías para derretirla; la energía disponible se convierte en 67.030 calorías. Una vez que se convierte en agua, los 100 gramos toman 1 caloría por grado del calor restante en el agua caliente, pero el calor no se "pierde", simplemente se ha trasladado al agua fría.
Cambio de temperatura
A medida que el agua caliente pierde 7970 calorías para derretir el hielo, el agua se enfría de 75 a 67 grados Celsius (153 grados Fahrenheit). El agua caliente pierde calor, mientras que el agua fría del hielo derretido gana calor. En este ejemplo, solo se agregan 100 gramos de hielo a 1000 gramos de agua. Por tanto, el agua caliente pierde una pequeña cantidad de temperatura, mientras que el agua fría se calienta en un mayor número de grados. Dividir 67,030 calorías disponibles entre 1,100 gramos totales de agua da una temperatura final de aproximadamente 61 grados Celsius (142 grados Fahrenheit). El agua caliente pierde un total de 14 grados Celsius (57 grados Fahrenheit) y el agua fría gana 61 grados Celsius. Tenga en cuenta que los resultados dependen de la cantidad de hielo y agua caliente que tenga al principio. Si agrega una tonelada de hielo a 1000 gramos de agua, el agua caliente no tendrá suficiente calor para derretir todo el hielo.