Для нагрева воды до более высокой температуры требуется больше времени, чем для плавления льда. Хотя это может показаться загадочной ситуацией, это главный фактор, способствующий смягчению климата, который позволяет жизни существовать на Земле.
Удельная теплоемкость
Удельная теплоемкость вещества определяется как количество тепла, необходимое для повышения температуры одной единицы массы этого вещества на 1 градус Цельсия.
Расчет удельной теплоемкости
Формула связи между тепловой энергией, изменением температуры, удельной теплоемкостью и изменением температуры: Q = mc (дельта T), где Q представляет количество тепла, добавляемого к веществу, c - удельная теплоемкость, m - масса нагреваемого вещества, а дельта T - изменение температура.
Различия в воде и льду
Удельная теплоемкость воды при 25 градусах Цельсия составляет 4,186 джоулей / грамм * градус Кельвина.
Удельная теплоемкость воды при -10 градусах Цельсия (лед) составляет 2,05 джоулей / грамм * градус Кельвина.
Удельная теплоемкость воды при 100 градусах Цельсия (пара) составляет 2,080 джоулей / грамм * градус Кельвина.
Факторы, влияющие на удельную теплоемкость воды и льда
Вероятно, наиболее очевидное различие между льдом и водой заключается в том, что лед - твердое тело, а вода - жидкость, но в то время как состояние вещества изменяется от твердого до жидкого и газообразного в зависимости от температуры, химическая формула остается двумя атомами водорода, ковалентно связанными с одним кислородом атом.
Степень свободы - это любая форма энергии, в которой может храниться тепло, передаваемое объекту. В твердом теле эти степени свободы ограничены структурой этого твердого тела. Кинетическая энергия, хранящаяся внутри молекулы, влияет на удельную теплоемкость этого вещества, а не на его температуру.
Как жидкость, вода имеет больше направлений для движения и поглощения приложенного к ней тепла. Для повышения общей температуры необходимо нагреть большую площадь поверхности.
Однако у льда площадь поверхности не меняется из-за его более жесткой структуры. Когда лед нагревается, эта тепловая энергия должна куда-то уходить, и он начинает разрушать структуру твердого тела и превращать лед в воду.
Преимущества более высокой удельной теплоемкости воды
Более высокая удельная теплоемкость воды, а также высокая теплота испарения позволяют ей умерять климат Земли, заставляя медленно изменяться температуры в областях вокруг больших тел вода.
Из-за высокой удельной теплоемкости воды вода и земля возле водоемов нагреваются медленнее, чем земля без воды. Для обогрева помещения необходимо больше тепловой энергии, потому что вода поглощает энергию.
Подобное количество тепловой энергии повысит температуру суши до гораздо более высокой температуры, а почва или грязь будут препятствовать проникновению тепла в землю. Пустыни достигают чрезвычайно высоких температур именно из-за отсутствия воды.