Зміст
Додаючи лід у гарячу воду, частина водяного тепла розплавляє лід. Тепла, що залишається, нагріває крижану воду, але охолоджує гарячу воду. Ви можете підрахувати кінцеву температуру суміші, якщо знаєте, з якої кількості гарячої води ви почали, а також її температуру та кількість льоду, який ви додали. Дві фізичні властивості - питома теплота і теплота плавлення - визначають, як саме тане лід і вода охолоджується.
Питома теплота
Специфічне тепло речовини вимірює, скільки енергії потрібно для підвищення його температури. Наприклад, коли ви додаєте 1 калорій тепла на 1 грам води, він нагрівається на 1 градус Цельсія (1,8 градуса за Фаренгейтом). Навпаки, коли вода охолоджується; грам води, який падає на 1 градус Цельсія, втрачає 1 калорію теплової енергії. Інші речовини мають різне специфічне нагрівання. Наприклад, для нагрівання граму свинцю на 1 градус Цельсія потрібно всього 0,03 калорії.
Тепло синтезу
Ємність з водою втрачає 1 калорію за кожен градус Цельсія, який вона охолоджує. Однак, коли вона досягає нуля градусів Цельсія (32 градуси за Фаренгейтом), ситуація змінюється - вода перетворюється на лід. Цей процес передбачає набагато більше теплової енергії - 79,7 калорій на грам - і температура водно-льодової суміші не змінюється, поки вона не замерзне твердою. Коли речовина проходить через цю фазу, енергію називають теплом синтезу. Молекули води втрачають зайву енергію, коли вони збиваються у тверду речовину. Як тільки лід утворився, він змінює температуру відповідно до своєї специфічної тепла - 0,49 калорій на градус Цельсія.
Зміна енергії
Щоб точно визначити, як змінюється енергія, додаючи лід у гарячу воду, потрібна маса льоду та води, а також температура води. Наприклад, через свою специфічну теплову цінність на один літр гарячої води при 75 градусах Цельсія (167 градусів за Фаренгейтом) 75000 калорій енергії більше, ніж на стільки ж води при 0 градусах Цельсія (32 градуси Фаренгейта). Додавання у воду 100 грам льоду вимагає 7 970 калорій, щоб розплавити його; доступна енергія стає 67 030 калорій. Як тільки вона стає водою, 100 грам забирає 1 калорію на градус від теплоти, що залишилася в гарячій воді, але тепло не «втрачається» - воно просто перемістилося в холодну воду.
Зміна температури
Оскільки гаряча вода втрачає 7 970 калорій для танення льоду, вода охолоджується від 75 до 67 градусів Цельсія (153 градуси Фаренгейта). Гаряча вода втрачає тепло, тоді як холодна вода з розтопленого льоду отримує тепло. У цьому прикладі до 1000 грам води додається лише 100 грам льоду. Тому гаряча вода втрачає невелику кількість температури, тоді як холодна вода прогрівається на більшу кількість градусів. Ділення 67.030 доступних калорій на 1100 грамів води дає кінцеву температуру близько 61 градуса Цельсія (142 градуси Фаренгейта). Гаряча вода втрачає загалом 14 градусів Цельсія (57 градусів за Фаренгейтом), а холодна вода набирає 61 градус Цельсія. Зауважте, що результати залежать від того, скільки льоду та гарячої води у вас на старті. Якщо до 1000 грам води додати тонну льоду, гарячої води не вистачить тепла, щоб розплавити весь лід.