Quando aggiungi il ghiaccio all'acqua calda, parte del calore dell'acqua scioglie il ghiaccio. Il calore rimanente riscalda l'acqua ghiacciata ma raffredda l'acqua calda nel processo. Puoi calcolare la temperatura finale della miscela se sai con quanta acqua calda hai iniziato, insieme alla sua temperatura e alla quantità di ghiaccio che hai aggiunto. Due proprietà fisiche, il calore specifico e il calore di fusione, determinano esattamente come il ghiaccio si scioglie e l'acqua si raffredda.
Calore specifico
Il calore specifico di una sostanza misura la quantità di energia necessaria per aumentare la sua temperatura. Ad esempio, quando aggiungi 1 caloria di calore a 1 grammo di acqua, si riscalda di 1 grado Celsius (1,8 gradi Fahrenheit). È vero il contrario quando l'acqua si raffredda; un grammo di acqua che scende di 1 grado Celsius perde 1 caloria di energia termica. Altre sostanze hanno calori specifici diversi. Ad esempio, sono necessarie solo 0,03 calorie per riscaldare un grammo di piombo di 1 grado Celsius.
Calore di fusione
Un contenitore d'acqua perde 1 caloria per ogni grado Celsius che si raffredda. Tuttavia, quando raggiunge zero gradi Celsius (32 gradi Fahrenheit), la situazione cambia: l'acqua si trasforma in ghiaccio. Questo processo richiede molta più energia termica - 79,7 calorie per grammo - e la temperatura della miscela di acqua e ghiaccio non cambia finché non si congela completamente. Quando una sostanza attraversa questa fase, l'energia è chiamata calore di fusione. Le molecole d'acqua perdono energia extra quando si aggregano in un solido. Una volta che il ghiaccio si è formato, cambia la temperatura in base al proprio calore specifico: 0,49 calorie per grado Celsius.
Cambio di energia
Per determinare esattamente come cambia l'energia quando aggiungi ghiaccio all'acqua calda, hai bisogno della massa del ghiaccio e dell'acqua e della temperatura dell'acqua. Ad esempio, a causa del suo potere calorifico specifico, un litro di acqua calda a 75 gradi Celsius (167 gradi Fahrenheit) ha 75.000 calorie di energia in più rispetto alla stessa quantità di acqua a 0 gradi Celsius (32 gradi Fahrenheit). L'aggiunta di 100 grammi di ghiaccio all'acqua richiede 7.970 calorie per scioglierla; l'energia disponibile diventa 67.030 calorie. Una volta che diventa acqua, i 100 grammi prendono 1 caloria per grado dal calore rimanente nell'acqua calda, ma il calore non è "perso" - si è semplicemente trasferito nell'acqua fredda.
Cambiamento di temperatura
Poiché l'acqua calda perde 7.970 calorie per sciogliere il ghiaccio, l'acqua si raffredda da 75 a 67 gradi Celsius (153 gradi Fahrenheit). L'acqua calda perde calore, mentre l'acqua fredda del ghiaccio fuso acquista calore. In questo esempio, vengono aggiunti solo 100 grammi di ghiaccio a 1.000 grammi di acqua. Pertanto, l'acqua calda perde una piccola quantità di temperatura, mentre l'acqua fredda si riscalda di un numero maggiore di gradi. Dividendo 67.030 calorie disponibili per 1.100 grammi totali di acqua si ottiene una temperatura finale di circa 61 gradi Celsius (142 gradi Fahrenheit). L'acqua calda perde un totale di 14 gradi Celsius (57 gradi Fahrenheit) e l'acqua fredda guadagna 61 gradi Celsius. Nota che i risultati dipendono dalla quantità di ghiaccio e acqua calda che hai all'inizio. Se aggiungi una tonnellata di ghiaccio a 1.000 grammi di acqua, l'acqua calda non avrà abbastanza calore per sciogliere tutto il ghiaccio.