Zawartość
Gdy dodasz lód do gorącej wody, część jego ciepła topi lód. Pozostałe ciepło ogrzewa lodowatą wodę, ale schładza ciepłą wodę w procesie. Możesz obliczyć końcową temperaturę mieszanki, jeśli wiesz, ile ciepłej wody zacząłeś, wraz z jej temperaturą i ilością dodanego lodu. Dwie właściwości fizyczne - ciepło właściwe i ciepło topnienia - określają dokładnie, w jaki sposób topi się lód, a woda stygnie.
Ciepło właściwe
Ciepło właściwe substancji mierzy ilość energii potrzebnej do podniesienia jej temperatury. Na przykład, jeśli dodasz 1 kalorię ciepła do 1 grama wody, ogrzeje się o 1 stopień Celsjusza (1,8 stopnia Fahrenheita). Wręcz przeciwnie, gdy woda stygnie; gram wody, która spada o 1 stopień Celsjusza, traci 1 kalorię energii cieplnej. Inne substancje mają różne specyficzne temperatury. Na przykład potrzeba zaledwie 0,03 kalorii, aby podgrzać gram ołowiu o 1 stopień Celsjusza.
Ciepło syntezy
Pojemnik z wodą traci 1 kalorię na każdy ochłodzony stopień Celsjusza. Jednak gdy osiągnie zero stopni Celsjusza (32 stopnie Fahrenheita), sytuacja się zmienia - woda zamienia się w lód. Proces ten wymaga znacznie więcej energii cieplnej - 79,7 kalorii na gram - a temperatura mieszanki wody z lodem nie zmienia się, dopóki nie zamarznie. Gdy substancja przechodzi przez tę fazę, energia nazywana jest ciepłem syntezy jądrowej. Cząsteczki wody tracą dodatkową energię, gdy zbierają się w ciało stałe. Po utworzeniu się lodu zmienia temperaturę zgodnie z własnym ciepłem właściwym - 0,49 kalorii na stopień Celsjusza.
Zmiana energii
Aby dokładnie określić, jak zmienia się energia po dodaniu lodu do gorącej wody, potrzebujesz masy lodu i wody oraz temperatury wody. Na przykład, ze względu na swoją specyficzną wartość cieplną, jeden litr gorącej wody o temperaturze 75 stopni Celsjusza (167 stopni Fahrenheita) ma 75 000 kalorii energii więcej niż ta sama ilość wody w temperaturze 0 stopni Celsjusza (32 stopnie Fahrenheita). Dodanie 100 gramów lodu do wody wymaga 7970 kalorii, aby go stopić; dostępna energia staje się 67 030 kalorii. Gdy stanie się wodą, 100 gramów pobiera 1 kalorię na stopień z pozostałego ciepła w gorącej wodzie, ale ciepło nie jest „tracone” - po prostu przeniosło się do zimnej wody.
Zmiana temperatury
Gdy gorąca woda traci 7970 kalorii w celu stopienia lodu, woda ochładza się od 75 do 67 stopni Celsjusza (153 stopni Fahrenheita). Gorąca woda traci ciepło, a zimna woda ze stopionego lodu zyskuje ciepło. W tym przykładzie tylko 100 gramów lodu dodaje się do 1000 gramów wody. Dlatego gorąca woda traci niewielką temperaturę, podczas gdy zimna woda ogrzewa się o większą liczbę stopni. Dzieląc 67 030 dostępnych kalorii przez 1100 gramów wody daje końcową temperaturę około 61 stopni Celsjusza (142 stopnie Fahrenheita). Gorąca woda traci łącznie 14 stopni Celsjusza (57 stopni Fahrenheita), a zimna woda zyskuje 61 stopni Celsjusza. Pamiętaj, że wyniki zależą od tego, ile lodu i ciepłej wody masz na początku. Jeśli dodasz tonę lodu do 1000 gramów wody, gorąca woda nie będzie miała wystarczającej ilości ciepła, aby stopić cały lód.