Когда вы добавляете лед в горячую воду, часть тепла воды растапливает лед. Оставшееся тепло нагревает ледяную воду, но при этом охлаждает горячую. Вы можете рассчитать конечную температуру смеси, если знаете, сколько горячей воды вы использовали, а также ее температуру и количество льда, которое вы добавили. Два физических свойства - удельная теплоемкость и теплота плавления - точно определяют, как лед тает и вода остывает.
Удельная теплоемкость
Удельная теплоемкость вещества измеряет количество энергии, необходимое для повышения его температуры. Например, когда вы добавляете 1 калорию тепла к 1 грамму воды, он нагревается на 1 градус Цельсия (1,8 градуса по Фаренгейту). Обратное верно, когда вода остывает; грамм воды, температура которой падает на 1 градус Цельсия, теряет 1 калорию тепловой энергии. Другие вещества имеют другую теплоемкость. Например, чтобы нагреть грамм свинца на 1 градус Цельсия, требуется всего 0,03 калории.
Теплота плавления
Контейнер с водой теряет 1 калорию на каждый градус Цельсия, который он охлаждает. Однако когда температура достигает нуля градусов по Цельсию (32 градуса по Фаренгейту), ситуация меняется - вода превращается в лед. Этот процесс требует гораздо большего количества тепловой энергии - 79,7 калорий на грамм - и температура смеси воды и льда не меняется до тех пор, пока она не замерзнет. Когда вещество проходит эту фазу, энергия называется теплотой плавления. Молекулы воды теряют дополнительную энергию, поскольку они слипаются в твердое тело. После образования льда он изменяет температуру в соответствии со своей удельной теплоемкостью - 0,49 калорий на градус Цельсия.
Изменение энергии
Чтобы точно определить, как изменяется энергия, когда вы добавляете лед в горячую воду, вам нужна масса льда и воды, а также температура воды. Например, из-за его удельной теплоемкости один литр горячей воды при температуре 75 градусов по Цельсию (167 градусов по Цельсию) По Фаренгейту) содержит на 75000 калорий больше энергии, чем такое же количество воды при 0 градусах Цельсия (32 градуса Фаренгейт). Добавление 100 граммов льда в воду требует 7970 калорий, чтобы растопить ее; доступная энергия становится 67 030 калорий. Как только вода превращается в воду, на 100 граммов уходит 1 калория на градус оставшегося тепла в горячей воде, но тепло не «теряется» - оно просто переходит в холодную воду.
Изменение температуры
Поскольку горячая вода теряет 7970 калорий на растапливание льда, вода охлаждается с 75 до 67 градусов по Цельсию (153 градуса по Фаренгейту). Горячая вода теряет тепло, а холодная вода из растаявшего льда нагревается. В этом примере на 1000 граммов воды добавлено только 100 граммов льда. Таким образом, горячая вода теряет небольшую температуру, тогда как холодная вода нагревается на большее количество градусов. Разделив 67 030 калорий на 1100 граммов воды, мы получим конечную температуру около 61 градуса по Цельсию (142 градуса по Фаренгейту). Горячая вода теряет в общей сложности 14 градусов по Цельсию (57 градусов по Фаренгейту), а холодная вода набирает 61 градус по Цельсию. Учтите, что результат зависит от того, сколько льда и горячей воды у вас есть вначале. Если вы добавите тонну льда в 1000 граммов воды, горячей воде не хватит тепла, чтобы растопить весь лед.