Door Chris Deziel , Bijgewerkt op 24 maart 2022

sumos/iStock/GettyImages

Als de omgevingstemperatuur rond een stuk ijs stijgt, stijgt de temperatuur van het ijs dienovereenkomstig. Deze stijging stopt echter op het moment dat het ijs zijn smeltpunt bereikt:0°C. Op dat moment ondergaat het ijs een faseovergang, waarbij het wordt omgezet in vloeibaar water, terwijl de temperatuur constant blijft totdat het allemaal is gesmolten. Een eenvoudig experiment laat dit zien:laat een kopje ijsblokjes in een hete auto liggen en houd de temperatuur in de gaten met een thermometer. Het ijskoude water blijft op 32°F totdat het volledig is gesmolten; daarna stijgt de temperatuur snel terwijl de resterende vloeistof warmte uit het interieur van de auto blijft absorberen.

TL;DR (te lang; niet gelezen)

Wanneer je ijs verwarmt, stijgt de temperatuur totdat deze 32°F bereikt, en blijft vervolgens constant tijdens het smelten. De toegevoegde warmte verbreekt de kristalroosterbindingen in plaats van dat de kinetische energie toeneemt.

Faseveranderingen verbruiken energie

Het verwarmen van ijs verhoogt de kinetische energie van de moleculen, waardoor ze sneller gaan trillen. Totdat het smeltpunt is bereikt, versterkt deze extra energie alleen maar de trillingen; de moleculen kunnen de roosterbindingen die hen in een solide structuur houden nog niet verbreken. Zodra het ijs een temperatuur van 32°F bereikt, verwerven de moleculen voldoende energie om zich los te maken van het rooster. Alle toegevoerde warmte-energie wordt dus verbruikt door de faseovergang, en niet door het verhogen van de kinetische energie van de vloeistof. Bijgevolg blijft de temperatuur van het water op 32°F totdat alle kristallen zijn gesmolten.

Hetzelfde principe geldt voor kokend water. Het zal opwarmen tot 100°C, maar zal die temperatuur niet overschrijden totdat elke druppel damp is geworden. Zolang er vloeibaar water in de pan blijft, blijft de temperatuur op 212°F, ongeacht de intensiteit van de warmtebron.

Evenwicht op het smeltpunt

Je zou kunnen aannemen dat een mengsel van ijs en water gelijkmatig zou opwarmen, maar in werkelijkheid blijft de temperatuur nabij het ijs op het smeltpunt vergrendeld. In een grote bak met water met een ijsblokje kan het grootste deel van het water boven de 32°F stijgen, maar toch blijft de directe omgeving van het ijs op die constante temperatuur. Dit evenwicht ontstaat omdat wanneer het ijs smelt, een deel van het omringende water opnieuw bevriest, waardoor de warmtestroom in evenwicht wordt gebracht. Het netto resultaat is dat de algehele temperatuur pas stijgt als al het ijs verdwenen is.

Meer dan alleen smelten:warmte en druk toevoegen

Het introduceren van meer warmte kan nog steeds een lineaire temperatuurstijging veroorzaken; het ijs zal sneller smelten en de temperatuur van de resterende vloeistof zal stijgen. De warmte die nodig is om de roosterverbindingen te verbreken, domineert echter totdat de faseverandering voltooid is.

Ook druk speelt een cruciale rol. Door stoom in een afgesloten vat op te sluiten, verhoogt u het kookpunt, waardoor water vloeibaar blijft bij temperaturen boven 212 ° F. Dit is het principe achter snelkookpannen en industriële stoomketels.