O que acontece quando o gelo é adicionado à água quente e como a energia mudará?

Quando você adiciona gelo à água quente, parte do calor da água derrete o gelo. O calor restante aquece a água gelada, mas resfria a água quente no processo. Você pode calcular a temperatura final da mistura se souber com que quantidade de água quente começou, junto com sua temperatura e quanto gelo adicionou. Duas propriedades físicas - o calor específico e o calor de fusão - determinam exatamente como o gelo derrete e a água esfria.

O calor específico de uma substância mede quanta energia é necessária para aumentar sua temperatura. Por exemplo, quando você adiciona 1 caloria de calor a 1 grama de água, ela aquece 1 grau Celsius (1,8 graus Fahrenheit). O oposto é verdadeiro quando a água esfria; um grama de água que cai 1 grau Celsius perde 1 caloria de energia térmica. Outras substâncias têm calores específicos diferentes. Por exemplo, leva apenas 0,03 calorias para aquecer um grama de chumbo em 1 grau Celsius.

Um recipiente com água perde 1 caloria para cada grau Celsius que esfria. No entanto, quando chega a zero graus Celsius (32 graus Fahrenheit), a situação muda - a água se transforma em gelo. Esse processo envolve muito mais energia térmica - 79,7 calorias por grama - e a temperatura da mistura de água e gelo não muda até que ela congele totalmente. Quando uma substância passa por essa fase, a energia é chamada de calor de fusão. As moléculas de água perdem energia extra à medida que se aglomeram em um sólido. Depois que o gelo se forma, ele muda a temperatura de acordo com seu próprio calor específico - 0,49 calorias por grau Celsius.

Para determinar exatamente como a energia muda quando você adiciona gelo à água quente, você precisa da massa de gelo e água, bem como da temperatura da água. Por exemplo, devido ao seu valor de calor específico, um litro de água quente a 75 graus Celsius (167 graus Fahrenheit) tem 75.000 calorias de energia a mais do que a mesma quantidade de água a 0 graus Celsius (32 graus Fahrenheit). Adicionar 100 gramas de gelo à água leva 7.970 calorias para derretê-la; a energia disponível passa a ser 67.030 calorias. Uma vez que se torna água, os 100 gramas consomem 1 caloria por grau do calor restante na água quente, mas o calor não é "perdido" - ele simplesmente mudou para a água fria.

Como a água quente perde 7.970 calorias para derreter o gelo, a água esfria de 75 a 67 graus Celsius (153 graus Fahrenheit). A água quente perde calor, enquanto a água fria do gelo derretido ganha calor. Neste exemplo, apenas 100 gramas de gelo são adicionados a 1.000 gramas de água. Portanto, a água quente perde uma pequena quantidade de temperatura, enquanto a água fria aquece em um número maior de graus. Dividindo 67.030 calorias disponíveis por 1.100 gramas totais de água, obtém-se uma temperatura final de cerca de 61 graus Celsius (142 graus Fahrenheit). A água quente perde um total de 14 graus Celsius (57 graus Fahrenheit), e a água fria ganha 61 graus Celsius. Observe que os resultados dependem de quanto gelo e água quente você tem no início. Se você adicionar uma tonelada de gelo a 1.000 gramas de água, a água quente não terá calor suficiente para derreter todo o gelo.