Termofysik Fysik 1

En värmeisolerad behållare innehåller m(vatten) gram vatten med temperaturen T(vatten). En isbit med massan m(is) gram och temperaturen T(is) läggs ner i vattnet. Efter ett tag når systemet jämvikt. Redogör så noggrant som möjligt för de olika möjligheter som finns för jämvikt och de förutsättningar som avgör vad som kan hända.

Om man antar att systemet inte påverkas av andra källor (som t.ex. luften runt omkring) så kan man sammanfatta det såhär.

1. Isbiten läggs i; isen värms upp, vattnet kyls ned.
2. Isen smälter, vattnet kyls ned.
3. Det nya vattnet värms upp, det gamla vattnet kyls ned.
4. Termisk jämvikt.

Så tror jag iallafall att det är. Rätta mig gärna om jag har fel.

Beroende på ingående massor och temperaturer så kan följande tre fall uppkomma.

1) Isen värms upp medan vattnet kyls. Isen smälter medan vattnet kyls ytterligare.
Slutresultat: Bara vatten med en temperatur på 0 grader eller högre.
Detta fall inträffar om vattnets temperatur är tillräckligt hög och dess massa tillräckligt stor.

2) Isen värms upp medan vattnet kyls till 0 grader. Vattnet fryser därefter medan isen värms ytterligare.
Slutresultat: Bara is med en temperatur på 0 grader eller lägre.
Detta fall inträffar om isens temperatur är tillräckligt låg och dess massa tillräckligt stor.

3) Isen värms upp medan vattnet kyls till 0 grader. Vattnet fryser därefter delvis till is medan isen värms till 0 grader.
Slutresultat: En blandning av vatten och is med temperaturen 0 grader.
Detta fall inträffar om förutsättningarna för fall 1 eller fall 2 ej finns.

Hmm... Det låter rätt. Hur skulle man kunna uttrycka dessa scenarion i energi?

För varje fall i texten ovan kan du sätta upp en ekvation som beskriver hur värmeenergi överförs från vatten till is. Ingen energi försvinner så det blir en likhet mellan den energi som behövs för att i först värma isen, sedan smälta isen och till sist värma isvattnet och den energi som tas från vattnet.

Energi som går åt för att värma isen 1 grad ges av isens värmekapacitet (i Joule per grad).
Värmekapaciteten för isen är dess värmekapacitivitet, en materialegenskap (i Joule per kilogram per grad) multiplicerat med dess massa (i kilogram).

För att smälta is åtgår energi som ges av isens smältvärme, en annan materialegenskap (i Joule per kilogram) multiplicerat med dess massa (i kilogram).

När vattnets temperatur minskar 1 grad frigörs på motsvarande sätt en energi som ges av vattnets värmekapacitet och när vattnet fryser till is är det smältvärmet som du behöver använda igen.

Aha tackar!