Кусок льда, имеющий температуру 0 °С, поместили в сосуд с водой при температуре 0 °С. Расплавится ли при этом кусок льда?
Кусок льда не расплавится, т.к. для плавления необходимо, чтобы температура воды была выше температуры плавления, т.е. выше 0 °С. Лёд с водой находятся в состоянии теплового равновесия. Сосуд предотвращает процессы теплопередачи с внешней средой, поэтому лёд не будет получать энергию, необходимую для плавления.
Для ответа на этот вопрос необходимо рассмотреть физические процессы, происходящие при взаимодействии льда и воды при одинаковой начальной температуре, а именно 0 °С. Разберем несколько понятий и явлений, которые важны для понимания этой задачи.
1. Температура и тепловое движение.
Температура 0 °С является точкой плавления льда (для нормального атмосферного давления). Это значит, что при этой температуре лёд может начать переходить в жидкую фазу (воду) или вода может замерзать, превращаясь в лёд. Ключевым моментом является то, что процесс плавления или замерзания при температуре 0 °С зависит от теплообмена между веществами.
2. Условия фазового равновесия.
При точке плавления (0 °С) лёд и вода могут находиться в состоянии равновесия, то есть одновременно сосуществовать в двух фазах (твердой и жидкой). В этом состоянии не происходит заметного изменения массы льда или воды, если не подводить или не отводить энергию. Это равновесие обусловлено тем, что при 0 °С скорость перехода молекул воды из твёрдого состояния (льда) в жидкое и из жидкого в твёрдое равны.
3. Теплообмен.
Для изменения агрегатного состояния вещества (например, для плавления льда) необходимо либо подвести, либо отвести тепло. Количество тепла $Q$, необходимое для плавления массы $m$ льда, определяется формулой:
$$
Q = \lambda \cdot m,
$$
где $\lambda$ — удельная теплота плавления льда (для воды $\lambda = 334 \: \text{кДж/кг}$).
Однако в данном случае вода и лёд находятся при одинаковой температуре 0 °С, и отсутствует источник тепла извне. Это означает, что нет теплового потока, который мог бы быть направлен от воды к льду или наоборот.
4. Зависимость плавления от теплообмена.
Плавление льда — это процесс, который требует поступления энергии. Без подвода тепла плавление невозможно. Если вода и лёд находятся в тепловом равновесии, то энергии для плавления не будет достаточно, поскольку температура воды при 0 °С уже минимально возможная для жидкой фазы. Вода не может передать энергию льду для его плавления, так как она сама находится в состоянии, близком к образованию льда.
5. Идеализация условий.
Задача предполагает идеальные условия: температура воды и льда строго равна 0 °С, и нет потерь или притоков тепла из внешней среды. На практике, в реальных условиях, возможны незначительные отклонения, например, из−за теплообмена с окружающей средой, но в рамках теоретического рассмотрения такие эффекты не учитываются.
6. Вывод из закона сохранения энергии.
Закон сохранения энергии гласит, что энергия в замкнутой системе не создается и не уничтожается, а только переходит из одной формы в другую. В данной ситуации система состоит из льда и воды при 0 °С и не получает тепло извне. Поэтому энергия, необходимая для плавления льда, в системе отсутствует, и процесс плавления не может начаться.
Итоговые теоретические выводы:
− Температура воды и льда одинакова (0 °С), поэтому нет теплового потока от воды к льду.
− Для плавления льда требуется подвод энергии (тепла), которого в системе нет.
− В условиях задачи (отсутствие теплопритока извне) кусок льда не расплавится.
Пожауйста, оцените решение
