Если в воду при температуре 0 °С бросить кусок льда при температуре − 22 °С, произойдёт заметное увеличение массы льда. Процесс кристаллизации воды сопровождается передачей значительного количества теплоты. Почему же при этом вода не нагревается?

Для объяснения данного явления важно рассмотреть процесс теплового взаимодействия льда и воды, а также понять физические принципы, лежащие в его основе.

Когда кусок льда при температуре −22 °С помещается в воду, начинается теплообмен между водой и льдом. Тепловая энергия переходит от более теплого объекта (воды) к более холодному объекту (льду), стремясь выровнять температуры этих двух тел. Этот процесс подчиняется законам термодинамики, где теплота передается от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой.

На различных этапах этого процесса происходят следующие важные явления:

1. Нагревание льда: Сначала тепловая энергия воды передается куску льда, увеличивая его температуру от −22 °С до 0 °С. Здесь действует закон теплоемкости, согласно которому количество теплоты, необходимое для нагрева вещества, зависит от его массы, удельной теплоемкости и изменения температуры:
   $$ Q = m \cdot c \cdot \Delta t, $$
   где $ Q $ — количество теплоты, $ m $ — масса льда, $ c $ — удельная теплоемкость льда, $ \Delta t $ — изменение температуры.

2. Плавление льда: Когда лед достигает температуры 0 °С, начинается процесс плавления. Для этого требуется энергия, называемая удельной теплотой плавления ($ \lambda $). Она используется для разрушения межмолекулярных связей в кристаллической решётке льда, переводя его из твёрдого состояния в жидкое. Количество теплоты, необходимое для плавления, можно рассчитать по формуле:
   $$ Q = m \cdot \lambda, $$
   где $ \lambda $ — удельная теплота плавления льда.

3. Замерзание воды: Когда лед охлаждает воду, часть воды может начать замерзать. Обратный процесс — кристаллизация воды — сопровождается выделением энергии, равной удельной теплоте плавления. Таким образом, вода передаёт энергию льду, поддерживая свою температуру на уровне 0 °С.

4. Температура воды при фазовых переходах: Фазовые переходы (такие как плавление льда и замерзание воды) происходят при постоянной температуре для данного вещества, что связано с тем, что энергия идет на изменение агрегатного состояния, а не на нагрев. То есть теплота передается, но температура не изменяется.

5. Увеличение массы льда: В процессе замерзания часть воды превращается в лёд, увеличивая массу льда. Это происходит за счёт охлаждения воды до температуры 0 °С и её кристаллизации под действием переданной энергии.

Почему вода не нагревается?
На протяжении всего процесса плавления льда и замерзания воды температура остаётся постоянной (на уровне 0 °С) из−за фазового перехода вещества. Тепловая энергия, передаваемая от воды к льду, расходуется на изменение агрегатного состояния, а не на повышение температуры. Этот принцип является следствием закона сохранения энергии: вся энергия, переданная водой, используется для разрушения межмолекулярных связей в льде (плавление) или для создания межмолекулярных связей при кристаллизации воды.

Таким образом, вода не нагревается, потому что энергия, которую она теряет, идёт на изменение состояния вещества, а не на повышение температуры.