Hvorfor isens temperatur forbliver 32°F, mens den smelter

Af Chris Deziel , Opdateret 24. marts 2022

sumos/iStock/GettyImages

Hvis den omgivende temperatur omkring et stykke is stiger, stiger isens temperatur tilsvarende. Denne stigning standser dog i det øjeblik, isen når sit smeltepunkt - 32°F (0°C). I det øjeblik gennemgår isen en faseovergang, der omdannes til flydende vand, mens dens temperatur forbliver fast, indtil det hele er smeltet. Et simpelt eksperiment viser dette:Lad en kop isterninger stå i en varm bil og overvåg temperaturen med et termometer. Det iskolde vand forbliver ved 32°F, indtil det er helt smeltet; derefter stiger temperaturen hurtigt, da den resterende væske fortsætter med at absorbere varme fra bilens interiør.

TL;DR (for lang; læste ikke)

Når du opvarmer is, stiger dens temperatur, indtil den når 32°F, og forbliver derefter konstant, mens den smelter. Den tilføjede varme bryder krystalgitterbindingerne i stedet for at øge den kinetiske energi.

Faseændringer forbruger energi

Opvarmning af is øger dens molekylers kinetiske energi, hvilket får dem til at vibrere hurtigere. Indtil smeltepunktet er nået, forstærker denne ekstra energi blot vibration; molekylerne kan endnu ikke bryde de gitterbindinger, der holder dem i en fast struktur. Når isen når 32°F, får molekylerne nok energi til at løsne sig fra gitteret. Al den tilførte varmeenergi forbruges derfor af faseovergangen, ikke ved at hæve væskens kinetiske energi. Vandets temperatur forbliver derfor på 32°F, indtil hver krystal er smeltet.

Det samme princip gælder for kogende vand. Det vil varme op til 212°F (100°C), men vil ikke overstige denne temperatur, før hver dråbe er blevet til damp. Så længe der er flydende vand i gryden, forbliver dens temperatur på 212°F uanset varmekildens intensitet.

Ligevægt ved smeltepunktet

Du kan antage, at en blanding af is og vand ville varme ensartet op, men i virkeligheden forbliver temperaturen i nærheden af isen låst ved smeltepunktet. I en stor beholder med vand med en isterning kan størstedelen af ​​vandet stige til over 32°F, men isens umiddelbare omgivelser forbliver på den konstante temperatur. Denne ligevægt opstår, fordi når isen smelter, fryser noget af det omgivende vand igen, hvilket afbalancerer varmestrømmen. Nettoresultatet er, at den samlede temperatur ikke stiger, før al is er forsvundet.

Ud over smeltning:Tilføjelse af varme og tryk

Indføring af mere varme kan stadig producere en lineær temperaturstigning; isen vil smelte hurtigere, og temperaturen på den resterende væske vil stige. Imidlertid dominerer den varme, der kræves for at bryde gitterbindingerne, indtil faseændringen er fuldstændig.

Presset spiller også en afgørende rolle. Ved at indeslutte damp i en forseglet beholder hæver du kogepunktet, så vandet forbliver flydende ved temperaturer over 212°F. Dette er princippet bag trykkogere og industrielle dampkedler.