Содержание
Когда вы добавляете лед в горячую воду, часть тепла от воды тает лед. Оставшееся тепло нагревает ледяную воду, но охлаждает горячую воду в процессе. Вы можете рассчитать конечную температуру смеси, если знаете, сколько горячей воды вы начали, а также ее температуру и количество добавленного льда. Два физических свойства - удельная теплоемкость и теплота плавления - точно определяют, как тает лед и охлаждается вода.
Удельная теплоемкость
Удельная теплоемкость вещества измеряет, сколько энергии требуется для повышения температуры. Например, когда вы добавляете 1 калорию тепла к 1 грамму воды, она нагревается на 1 градус Цельсия (1,8 градуса по Фаренгейту). Противоположность верна, когда вода остывает; грамм воды, который падает на 1 градус Цельсия, теряет 1 калорию тепловой энергии. Другие вещества имеют различную удельную теплоемкость. Например, требуется всего 0,03 калории, чтобы нагреть грамм свинца на 1 градус Цельсия.
Теплота плавления
Контейнер с водой теряет 1 калорию на каждый градус Цельсия, который он охлаждает. Однако, когда он достигает нуля градусов по Цельсию (32 градуса по Фаренгейту), ситуация меняется - вода превращается в лед. Этот процесс включает в себя гораздо больше тепловой энергии - 79,7 калорий на грамм - и температура смеси воды и льда не меняется до тех пор, пока она полностью не замерзнет. Когда вещество проходит через эту фазу, энергия называется теплотой синтеза. Молекулы воды теряют дополнительную энергию, когда они слипаются в твердое тело Как только лед сформировался, он меняет температуру в соответствии с собственной теплоемкостью - 0,49 калорий на градус Цельсия.
Изменение энергии
Чтобы точно определить, как меняется энергия при добавлении льда в горячую воду, вам нужна масса льда и воды, а также температура воды. Например, из-за удельной теплоемкости один литр горячей воды при температуре 75 градусов по Цельсию (167 градусов по Фаренгейту) содержит на 75 000 калорий энергии больше, чем такое же количество воды при температуре 0 градусов по Цельсию (32 градуса по Фаренгейту). Добавление 100 граммов льда в воду требует 7 970 калорий, чтобы растопить ее; доступная энергия становится 67 030 калориями. Как только это становится водой, 100 граммам требуется 1 калория на градус от оставшегося тепла в горячей воде, но тепло не «теряется» - оно просто перемещается в холодную воду.
Изменение температуры
Поскольку горячая вода теряет 7 970 калорий, чтобы растопить лед, вода охлаждается от 75 до 67 градусов по Цельсию (153 градуса по Фаренгейту). Горячая вода теряет тепло, а холодная вода из растаявшего льда получает тепло. В этом примере только 100 грамм льда добавляется к 1000 граммам воды. Поэтому горячая вода теряет небольшое количество температуры, тогда как холодная вода нагревается на большее количество градусов. Разделив 67 030 доступных 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. Обратите внимание, что результаты зависят от того, сколько льда и горячей воды у вас на старте. Если вы добавите тонну льда в 1000 граммов воды, у горячей воды не будет достаточно тепла, чтобы растопить весь лед.