Куда уходит энергия, пока лёд тает?

Вопрос из жизни и прогноз

В стакане при обычных условиях лёд постепенно превращается в воду. Можно ожидать, что любая полученная энергия сразу повысит показание термометра, но во время идеализированного плавления чистого льда при 0 °C это не так. Энергия изменяет связи между частицами. Предскажите, одинаков ли расчёт для нагрева уже растаявшей воды и для плавления льда той же массы.

Перед объяснением остановитесь на минуту: что именно вы ожидаете увидеть и почему? Запишите прогноз до расчёта. После урока отдельно отметьте, что вы наблюдали, что получили из заданных чисел и что лишь предполагаете о невидимых частицах. Такая запись позволяет исправить модель, не подменяя опыт красивым ответом.

Разбираем новые слова

Плавление — переход твёрдого вещества в жидкость; обратный процесс — кристаллизация. Удельная теплота плавления L — энергия на плавление 1 кг вещества при температуре плавления; для льда в школьной модели L ≈ 334 кДж/кг. 1 кДж = 1000 Дж. Во время фазового перехода без изменения давления температура чистого вещества в идеализированном случае остаётся постоянной, пока переход не завершён. Испарение — переход жидкости в газ; у него другие условия и другое значение L.

Разбор на числах

Учебное условие: 0,1 кг льда уже имеет 0 °C. Чтобы он целиком растаял при этих условиях, Q = mL = 0,1 × 334 = 33,4 кДж. Полученная вода остаётся около 0 °C сразу после завершения плавления. Для нагрева этой воды до 5 °C отдельно понадобится Q ≈ 0,1 × 4200 × 5 = 2100 Дж = 2,1 кДж. Складывать эти этапы можно, только указав оба.

Проверьте безопасно

Если есть кубик льда, наблюдайте его таяние на блюдце при комнатной температуре. Запишите, как меняется доля льда со временем; температуру не называйте измеренной без термометра. Не пробуйте охлаждённые предметы языком и не берите сухой лёд. Без опыта нарисуйте последовательность: лёд при 0 °C → смесь → вода при 0 °C → тёплая вода.

Ошибка, которую легко сделать

Ошибка: применять Q = mcΔT к одному лишь плавлению при ΔT = 0 и получать «энергия не нужна». Энергия нужна для изменения состояния. Другая ошибка — путать кДж и Дж: 33,4 кДж равны 33 400 Дж.

Опорная карта

Теперь сами

Закройте готовое решение. Нарисуйте систему: что находится внутри мысленной границы, а что снаружи? Подпишите стрелки передачи энергии и единицы величин. Измените в условии только одно число и объясните словами направление изменения результата. Если опыта не было, не пишите «измерено»: пишите «вычислено по учебным данным».

Запись в лабораторный журнал

Оформите четыре строки: вопрос; первоначальный прогноз; наблюдение или заданные числа; исправленный вывод с условиями применимости. Назовите один возможный источник ошибки: неточный термометр, потерю энергии в комнате, изменение количества воды или другое конкретное условие. В следующем уроке вернитесь к этому выводу и проверьте, выдерживает ли он новую ситуацию.

Следующий урок: Почему комната остывает даже при закрытом окне?