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Wenn Sie heißem Wasser Eis hinzufügen, schmilzt ein Teil der Wasserwärme das Eis. Die verbleibende Wärme erwärmt das eiskalte Wasser, kühlt dabei aber das heiße Wasser. Sie können die Endtemperatur des Gemisches berechnen, wenn Sie wissen, mit wie viel heißem Wasser Sie begonnen haben, zusammen mit der Temperatur und der Menge Eis, die Sie hinzugefügt haben. Zwei physikalische Eigenschaften - die spezifische Wärme und die Schmelzwärme - bestimmen genau, wie das Eis schmilzt und das Wasser abkühlt.
Spezifische Wärme
Die spezifische Wärme eines Stoffes misst, wie viel Energie erforderlich ist, um seine Temperatur zu erhöhen. Wenn Sie beispielsweise 1 Gramm Wasser 1 Kalorie Wärme hinzufügen, erwärmt sich das Wasser um 1 Grad Celsius. Das Gegenteil ist der Fall, wenn sich das Wasser abkühlt. Ein Gramm Wasser, das um 1 Grad Celsius fällt, verliert 1 Kalorie Wärmeenergie. Andere Substanzen haben unterschiedliche spezifische Temperaturen. Beispielsweise werden nur 0,03 Kalorien benötigt, um ein Gramm Blei um 1 Grad Celsius zu erhitzen.
Schmelzwärme
Ein Wasserbehälter verliert 1 Kalorie für jeden Grad Celsius, den er abkühlt. Wenn es jedoch null Grad Celsius (32 Grad Fahrenheit) erreicht, ändert sich die Situation - Wasser verwandelt sich in Eis. Dieser Prozess erfordert viel mehr Wärmeenergie - 79,7 Kalorien pro Gramm - und die Temperatur des Wasser-Eis-Gemisches ändert sich nicht, bis alles fest gefroren ist. Wenn eine Substanz diese Phase durchläuft, wird die Energie als Schmelzwärme bezeichnet. Wassermoleküle verlieren zusätzliche Energie, wenn sie sich zu einem Feststoff zusammenballen. Sobald sich Eis gebildet hat, ändert es die Temperatur gemäß seiner eigenen spezifischen Wärme - 0,49 Kalorien pro Grad Celsius.
Energiewende
Um genau zu bestimmen, wie sich die Energie ändert, wenn Sie heißem Wasser Eis hinzufügen, benötigen Sie die Masse von Eis und Wasser sowie die Wassertemperatur. Zum Beispiel hat ein Liter heißes Wasser bei 75 Grad Celsius (167 Grad Fahrenheit) aufgrund seines spezifischen Wärmewerts 75.000 Kalorien mehr als die gleiche Menge Wasser bei 0 Grad Celsius (32 Grad Fahrenheit). Das Hinzufügen von 100 Gramm Eis zum Wasser benötigt 7.970 Kalorien, um es zu schmelzen. Die verfügbare Energie wird 67.030 Kalorien. Sobald es zu Wasser wird, nehmen die 100 Gramm 1 Kalorie pro Grad von der verbleibenden Wärme im heißen Wasser auf, aber die Wärme geht nicht "verloren" - sie ist einfach in das kalte Wasser übergegangen.
Temperaturänderung
Während das heiße Wasser 7.970 Kalorien verliert, um das Eis zu schmelzen, kühlt sich das Wasser von 75 auf 67 Grad Celsius ab. Das heiße Wasser verliert Wärme, während das kalte Wasser aus dem geschmolzenen Eis Wärme gewinnt. In diesem Beispiel werden nur 100 Gramm Eis zu 1.000 Gramm Wasser gegeben. Daher verliert das heiße Wasser eine kleine Menge an Temperatur, während sich das kalte Wasser um eine größere Anzahl von Graden erwärmt. Wenn Sie 67.030 verfügbare Kalorien durch 1.100 Gesamtg Wasser dividieren, ergibt sich eine Endtemperatur von etwa 61 Grad Celsius. Das heiße Wasser verliert insgesamt 14 Grad Celsius und das kalte Wasser gewinnt 61 Grad Celsius. Beachten Sie, dass die Ergebnisse davon abhängen, wie viel Eis und heißes Wasser Sie zu Beginn haben. Wenn Sie 1.000 g Wasser mit einer Tonne Eis füllen, hat das heiße Wasser nicht genug Wärme, um das gesamte Eis zum Schmelzen zu bringen.