Kiedy dodajesz lód do gorącej wody, część ciepła wody topi lód. Pozostałe ciepło ogrzewa lodowatą wodę, ale jednocześnie chłodzi gorącą wodę. Możesz obliczyć ostateczną temperaturę mieszanki, jeśli wiesz, od jakiej ilości ciepłej wody zacząłeś, wraz z jej temperaturą i ilością dodanego lodu. Dwie właściwości fizyczne – ciepło właściwe i ciepło topnienia – określają dokładnie, w jaki sposób lód topi się, a woda ochładza.
Ciepło właściwe
Ciepło właściwe substancji mierzy ilość energii potrzebnej do podniesienia jej temperatury. Na przykład, gdy dodasz 1 kalorię ciepła do 1 grama wody, ogrzeje się ona o 1 stopień Celsjusza (1,8 stopnia Fahrenheita). Odwrotnie jest, gdy woda stygnie; gram wody, który spada o 1 stopień Celsjusza, traci 1 kalorię energii cieplnej. Inne substancje mają różne ciepło właściwe. Na przykład, aby ogrzać gram ołowiu o 1 stopień Celsjusza, potrzeba tylko 0,03 kalorii.
Ciepło fuzji
Pojemnik z wodą traci 1 kalorię na każdy ochłodzony stopień Celsjusza. Jednak gdy osiągnie zero stopni Celsjusza (32 stopnie Fahrenheita), sytuacja się zmienia – woda zamienia się w lód. Proces ten wymaga znacznie większej ilości energii cieplnej – 79,7 kalorii na gram – a temperatura mieszanki wody z lodem nie zmienia się, dopóki cała nie zamarznie. Kiedy substancja przechodzi przez tę fazę, energia nazywana jest ciepłem topnienia. Cząsteczki wody tracą dodatkową energię, gdy zbijają się w ciało stałe. Gdy lód się utworzy, zmienia temperaturę zgodnie z własnym ciepłem właściwym – 0,49 kalorii na stopień Celsjusza.
Zmiana energii
Aby dokładnie określić, jak zmienia się energia po dodaniu lodu do gorącej wody, potrzebna jest masa lodu i wody oraz temperatura wody. Na przykład, ze względu na swoją wartość cieplną, jeden litr gorącej wody o temperaturze 75 stopni Celsjusza (167 stopni Fahrenheita) ma o 75 000 kalorii więcej energii niż ta sama ilość wody w temperaturze 0 stopni Celsjusza (32 stopnie). Fahrenheita). Dodanie 100 gramów lodu do wody wymaga 7970 kalorii, aby go stopić; dostępna energia staje się 67 030 kalorii. Kiedy staje się wodą, 100 gramów pobiera 1 kalorię na stopień z pozostałego ciepła w gorącej wodzie, ale ciepło nie jest „stracone” – po prostu przeniosło się do zimnej wody.
Zmiana temperatury
Ponieważ gorąca woda traci 7970 kalorii, aby stopić lód, woda ochładza się z 75 do 67 stopni Celsjusza (153 stopni Fahrenheita). Gorąca woda traci ciepło, podczas gdy zimna woda z roztopionego lodu zyskuje ciepło. W tym przykładzie tylko 100 gramów lodu dodaje się do 1000 gramów wody. W związku z tym woda gorąca traci niewielką ilość temperatury, podczas gdy woda zimna nagrzewa się o większą liczbę stopni. Podzielenie 67 030 dostępnych kalorii przez 1100 gramów wody daje ostateczną temperaturę około 61 stopni Celsjusza (142 stopni Fahrenheita). Ciepła woda traci w sumie 14 stopni Celsjusza (57 stopni Fahrenheita), a zimna zyskuje 61 stopni Celsjusza. Pamiętaj, że wyniki zależą od tego, ile lodu i ciepłej wody masz na początku. Jeśli dodasz tonę lodu do 1000 gramów wody, gorąca woda nie będzie miała wystarczającej ilości ciepła, aby stopić cały lód.