Când adăugați gheață în apa fierbinte, o parte din căldura apei topește gheața. Căldura rămasă încălzește apa rece ca gheața, dar răcește apa fierbinte în acest proces. Puteți calcula temperatura finală a amestecului dacă știți câtă apă fierbinte ați început, împreună cu temperatura acestuia și câtă gheață ați adăugat. Două proprietăți fizice - căldura specifică și căldura de fuziune - determină exact modul în care se topeste gheața și se răcește apa.
Căldura specifică
Căldura specifică a unei substanțe măsoară cantitatea de energie necesară pentru a-și crește temperatura. De exemplu, atunci când adăugați 1 calorie de căldură la 1 gram de apă, acesta se încălzește cu 1 grad Celsius (1,8 grade Fahrenheit). Opusul este adevărat atunci când apa se răcește; un gram de apă care scade 1 grad Celsius pierde 1 calorie de energie termică. Alte substanțe au călduri specifice diferite. De exemplu, este nevoie de doar 0,03 calorii pentru a încălzi un gram de plumb cu 1 grad Celsius.
Căldura fuziunii
Un recipient cu apă pierde 1 calorie pentru fiecare grad Celsius pe care îl răcește. Cu toate acestea, când atinge zero grade Celsius (32 grade Fahrenheit), situația se schimbă - apa se transformă în gheață. Acest proces implică mult mai multă energie termică - 79,7 calorii pe gram -, iar temperatura amestecului de apă-gheață nu se modifică până când nu îngheață solid. Când o substanță trece prin această fază, energia se numește căldură de fuziune. Moleculele de apă pierd energie suplimentară pe măsură ce se adună într-un solid. Odată ce s-a format gheață, aceasta schimbă temperatura în funcție de propria căldură specifică - 0,49 calorii pe grad Celsius.
Schimbarea energiei
Pentru a determina exact cum se schimbă energia atunci când adăugați gheață la apa fierbinte, aveți nevoie de masa gheaței și a apei, precum și de temperatura apei. De exemplu, datorită valorii sale specifice de căldură, un litru de apă fierbinte la 75 grade Celsius (167 grade) Fahrenheit) are 75.000 de calorii de energie mai mult decât aceeași cantitate de apă la 0 grade Celsius (32 grade Fahrenheit). Adăugarea a 100 de grame de gheață în apă necesită 7.970 de calorii pentru a o topi; energia disponibilă devine 67.030 de calorii. Odată ce devine apă, cele 100 de grame iau 1 calorie pe grad din căldura rămasă în apa fierbinte, dar căldura nu se „pierde” - pur și simplu s-a mutat în apa rece.
Schimbarea temperaturii
Deoarece apa fierbinte pierde 7.970 de calorii pentru a topi gheața, apa se răcește de la 75 la 67 de grade Celsius (153 de grade Fahrenheit). Apa fierbinte pierde căldură, în timp ce apa rece din gheața topită câștigă căldură. În acest exemplu, doar 100 de grame de gheață sunt adăugate la 1.000 de grame de apă. Prin urmare, apa fierbinte pierde o cantitate mică de temperatură, în timp ce apa rece se încălzește cu un număr mai mare de grade. Împărțirea a 67.030 de calorii disponibile cu 1.100 de grame totale de apă dă o temperatură finală de aproximativ 61 grade Celsius (142 grade Fahrenheit). Apa fierbinte pierde în total 14 grade Celsius (57 grade Fahrenheit), iar apa rece câștigă 61 de grade Celsius. Rețineți că rezultatele depind de câtă gheață și apă fierbinte aveți la început. Dacă adăugați o tonă de gheață la 1.000 de grame de apă, apa fierbinte nu va avea suficientă căldură pentru a topi toată gheața.