Hat Eis immer 0 Grad Celsius? Geht die Eistemperatur darunter? [geschlossen]

Eine ganz einfache Analogie wäre: Der Schmelzpunkt von Kupfer liegt bei 1085°C. Hat ein Kupferblock immer 1085°C oder kann es kälter sein?

Ihre beiden Fragen beziehen sich nicht wirklich auf dasselbe. Bei atmosphärischem Druck ist Wasser von 0 bis 100 °C flüssig. Wenn es kälter ist, gefriert es zu Eis, wird es heißer, verdunstet es und wird zu Dampf. Nichts hindert uns daran, Eis auf Temperaturen unter 0°C zu kühlen.

Dieses Missverständnis könnte von der Tatsache herrühren, dass in Eiswasser, also eine Mischung aus Eis und Wasser, hat das Wasser immer 0°C. Die Umwandlung von fest zu flüssig erfordert eine gewisse Menge an Energie, die wir normalerweise als latente Wärme bezeichnen. Schauen wir uns an, was mit Eis passiert, wenn wir ihm Energie hinzufügen. Wenn es kälter als 0°C ist, beginnt es zu heizen, bis es 0°C erreicht. An diesem Punkt beginnt es zu schmelzen. Da das Schmelzen jedoch Energie kostet, müssen wir diese Energie dem System weiterhin zuführen. Anstatt die Temperatur weiter zu erhöhen, fließt nun die gesamte zugeführte Energie in das Schmelzen des Eises, und die Temperatur bleibt unverändert. Sowohl das Eis als auch das flüssige Wasser (der bereits geschmolzene Teil) haben jetzt 0°C. Solange Eis vorhanden ist, schmilzt das Hinzufügen von Energie zum System nur das Eis und erhöht nicht die Temperatur. Erst wenn alles Eis flüssig geworden ist,

Das gleiche Argument wie am Anfang gilt für Dampf. Sobald das Wasser gasförmig ist, hindert uns nichts daran, es weiter zu erhitzen. Da Wasser aber nur von 0 bis 100°C flüssig ist, können wir es nicht unter 0°C abkühlen oder über 100°C erhitzen, ohne dass es in eine andere Phase übergeht (wieder Atmosphärendruck vorausgesetzt).

Hiervon gibt es einige Ausnahmen. Unterkühltes oder überhitztes Wasser liegt unter 0 bzw. über 100°C. Sie befinden sich jedoch nicht im thermodynamischen Gleichgewicht, und jede ausreichende Störung führt dazu, dass sie fast augenblicklich gefrieren oder verdampfen. Um mit dem Gefrieren zu beginnen, braucht das Wasser einige Unvollkommenheiten, an denen die Kristallisation beginnen kann. Das können kleine Staubpartikel sein oder was sonst noch im Wasser schwimmt. Wenn Wasser und Behälter wirklich rein sind und es keine solchen Stellen gibt, an denen der Kristallisationsprozess beginnen kann, bleibt das Wasser auch unter 0°C flüssig.

Die Temperatur ist wirklich nur die innere Energie oder die mittlere Geschwindigkeit von Teilchen. Wenn wir das Material bearbeiten, verändert sich seine innere Energie. In den meisten Fällen ändert sich die Temperatur linear mit der inneren Energie. Aber wenn wir wollen, dass Wasser verdunstet, müssen wir noch mehr Arbeit leisten, um den Siedepunkt zu überwinden, weil es der Schwerkraft entkommen muss. Also müssen wir dem Wasser noch mehr Energie zum Verdampfen geben. Dasselbe gilt für den Gefrierpunkt. Auf der Grafik sieht das so aus:

Und hier kommt die Antwort auf Ihre Frage: Eis kann kälter als 0 °C sein. Es passiert einfach so, dass die Wassermoleküle bei 0 °C dicht zusammengepackt werden (wir nennen das Eis), aber das hindert es nicht daran, noch mehr abzukühlen, weil die Moleküle im Eis immer noch mit einer gewissen Geschwindigkeit vibrieren. Wir sagten, dass Temperatur nur innere Energie oder die mittlere Geschwindigkeit des Teilchens ist. Bei niedrigerer Temperatur bewegen sich die Teilchen langsamer und können (theoretisch) die Geschwindigkeit von 0 erreichen. Dies geschieht bei etwa –273,15 °C, sodass das Eis auf diese Temperatur abkühlen kann.

Zur zweiten Frage: Es hängt von der Definition von Wasser ab. Meine Definition ist: Wasser ist Eis, flüssiges Wasser und Dampf. Wasser kann also heißer als 100 °C werden. Aber das ist kein flüssiges Wasser mehr, es ist Dampf. Wenn flüssiges Wasser 100 °C erreicht, „benennen“ wir es in Dampf um. Sie haben also teilweise recht, denn flüssiges Wasser muss warten, bis es genügend Hitze (Grafik oben) erreicht, um über den Siedepunkt zu dampfen. Und ja, Dampf kann heißer als 100°C sein.

Sie können Eis so kalt machen, wie Sie möchten, solange Sie einen ausreichend guten Gefrierschrank haben. Wenn Sie Ihren Gefrierschrank auf -1 C einstellen und Wasser hineingeben, haben Sie (nach genügend Zeit) Eis, das ebenfalls -1 C ist. Wenn Sie Ihren Gefrierschrank auf -10 C einstellen und Wasser hineingeben, werden Sie (nach genug Zeit) haben Eis, das auch -10 C ist.

Das Besondere an 0 C ist, dass es der Punkt ist (unter normalen Bedingungen auf der Erde), an dem Wasser fest (Eis) oder flüssig sein kann. Sobald das Wasser kälter wird, ist es definitiv Eis und wenn es wärmer wird, ist es definitiv - bis zum Siedepunkt, wenn es gasförmig wird - flüssig. Dies ist die Antwort für die meisten "normalen" Situationen auf der Erde unter normalen Bedingungen. Wie andere Antworten und Kommentare gezeigt haben, gibt es andere Möglichkeiten wie Unterkühlung, und der atmosphärische Druck spielt ebenfalls eine Rolle. Aber da Sie sich anscheinend für die einfachsten alltäglichen Fälle interessieren, denke ich, dass dies Ihre einfache Antwort ist.

Auf der anderen Seite ist 100 C der Punkt, an dem das Wasser gasförmig (Dampf) oder flüssig sein kann. Wärmer und es wird definitiv Gas sein. Kälter und es wird - bis zum Gefrierpunkt - flüssig. Theoretisch gibt es nichts, was verhindern könnte, dass das Wasser heißer als 100 ° C wird, obwohl Sie in der Praxis den Dampf einfangen müssten, um ihn nahe genug an Ihrer Wärmequelle zu halten, damit dies geschieht. Auch dies unter den normalsten Alltagsbedingungen. Es gibt andere mögliche Effekte wie Überhitzung und der atmosphärische Druck ist auch für das Sieden von Bedeutung.

Von den beiden hat übrigens der atmosphärische Druck einige Folgen für den in großen Höhen lebenden Alltagsmenschen am Siedeende. Sie werden gelegentlich Kochanleitungen für Lebensmittel sehen, die für Menschen, die in höheren Lagen leben, andere Anweisungen geben. Dies liegt normalerweise daran, dass der Siedepunkt des Wassers dort niedriger ist (weil der atmosphärische Druck in größerer Höhe etwas niedriger ist als in der Nähe des Meeresspiegels). Wenn Sie Ihr Essen dort "kochen", wird es etwas weniger heiß, was in einigen Fällen einen spürbaren Unterschied macht. Ein Schnellkochtopf hingegen funktioniert umgekehrt. Es fängt das Gas im Kocher ein und erhöht den Druck mit steigender Temperatur - Dadurch kann das verbleibende Wasser im Schnellkochtopf heißer als 100 ° C werden (ohne sich in Dampf zu verwandeln) und dadurch das "Kochen" erhalten