-5°的过冷却水和-5°的冰块哪一样的内能高?

一般0°的水的内能要比0°的冰块的内能要高,那么-5°的过冷却水和-5°的冰块呢?他们的内能是相等还是其中一者高?

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6个答案
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LePtC物理学博士生

2013-07-31 21:29

谢邀...

内能是物体内部所有微观粒子的微观无序动能加相互作用势能,这个能量是不可能给出一个绝对的数值的。
只能比较内能的相对大小,依据就是热力学第一定律:

也就是说,你需要构造一个连接两个状态的物理过程,通过判断这一过程中功与热的转化来判断两个状态的内能高低。
另外,题目最好明确一下“质量相同的”,不然可没法比...

水和冰之间是一级相变,就是有吸放热的那种。
处于三相点的冰转变成同温度的水,每克吸收约 333 J热量,同时体积收缩,很明确ΔU>0,所以水的内能比冰高。
对于-5℃的冰和水,我们可以再构造-5℃的冰变0℃的冰、0℃的水变-5℃的水 这两个物理过程,把两个状态连接起来。
水的比热容为4.2 J/(g ℃),冰的比热容为2.1 J/(g ℃),1克 0℃的冰和水降温至-5℃时,水放热只比冰多 10.5 J

所以-5℃的过冷却水的内能还是比-5℃的冰块的内能高~

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这种做法是很粗略的近似,但不影响我们得出的结论...
如果用相变平衡条件(化学势相等)来做这道题,需要查更多的数据...
当然也就能精确地给出多出多少内能来了

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应该水比较高,因为它的分子运动大……

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支持者: 碧蓝怒火

过冷水是亚稳态,冰块是稳定态,亚稳态的能量肯定比稳定态的高。

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这个涉及到相变焓的问题,还有与量的的大小有关系。如果应变量只有相态的话,那液相的内能大,但是,我有个疑问,这么个温度,液态水存在么?

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kiddyse材料加工硕士

2013-08-01 20:56
支持者: ColdSpring fircau

我也认为是过冷水的能量要比相同温度的冰要高。

但是,我不同意@LePtC 利用比热分析来分析能量的方法。这种分析最大的问题是,一种物质的比热实际上是与其所在的温度有关的。而且,计算中使用的水的比热与冰的比热值只是很粗略的近似值,就更应该对计算结果产生怀疑。

我认为分析这一题目,应该从自由能的角度下手。
我们都知道在标准大气压下,液态水约在0℃附近将凝结成冰,这是因为温度低于0℃时,冰的自由能将比同温度下的水的自由能要低,液态的水应该自发地向固态的水转变,反之则不会发生。
用更为通俗的话说,在压力保持不变的情况下,-5℃时,液态的水向固态的水转变,反之则不然,这是一个不可逆过程,表明自由能降低。
根据吉布斯自由能公式,G=U-TS,U是内能,T是温度,S是熵,那么在等温条件下的相转变,有:

根据刚才的分析:

其中

因此:



即固态的冰的内能要低于液态的过冷水的内能。
感谢@多个吉 的批评指正~

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我可以弱弱的说是因为冰融化要吸热吗。。。。。。。

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