Cubo de hielo en un sistema aislado térmicamente ... ¿Se derretirá algo?

Question

Si un cubo de hielo en $0$ °C está en un sistema aislado térmicamente por sí solo, ¿se fundirá algo de él?

El profesor de química dice que alcanzará un estado de equilibrio de mitad hielo y mitad agua debido a la variación de la energía cinética de las partículas, pero no entiendo de dónde saldría la energía calorífica latente, a no ser que la mitad del cubito acabe como varios grados bajo cero para suministrar la energía para fundir la otra mitad, lo que va en contra de los principios de equilibrio térmico.

Answer 1

Estoy de acuerdo con su valoración.

Tampoco estoy seguro de lo que su profesor está tratando de conseguir aquí.

Si es hielo puro, y el sistema está aislado térmicamente, no hay razón para que gane la energía adicional necesaria para fundir parte del hielo. Como también has dicho, si la temperatura del hielo bajara para proporcionar esa energía, se violaría el equilibrio del sistema; así que el sistema nunca se establecería en ese estado.

Si el hielo estuviese en condiciones térmicas equilibrio con su entorno en $0°C$ no habría ninguna diferencia, porque no habría red transferencia de calor. Seguiría siendo lo mismo que si estuviera aislado. Pude ver algunos mérito en lo que dijo tu profesor. Dicho esto, sigue siendo un poco engañoso.

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A la temperatura de transición de fase, la mezcla sería casi estable en una mezcla sólido-líquido. Para una mezcla de este tipo, las descripciones que hemos estado utilizando para la mecánica de equilibrio y cuasi-equilibrio no pueden aplicarse con el mismo nivel de precisión. Básicamente, se entra en el terreno de la estadística y los efectos microscópicos. Porque no se está en equilibrio en todo momento; el camino que se toma para llevar el sistema a $0°C$ también importará.

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Ver esta pregunta para saber más sobre lo que ocurre con la mezcla en $0°C$ .

Gracias a John Bollinger en los comentarios por hacerme ver que mi segunda parte de la respuesta no era realmente relevante (y además me deja menos claro de qué estaba hablando el profesor).

Answer 2

Para pasar de agua (sólida) a agua (líquida) hay que aumentar la energía interna del agua (romper enlaces).
Como no hay aporte de calor al agua ni se realiza trabajo sobre ella, la energía interna del agua no cambiará y, por tanto, el agua permanecerá en estado sólido.

Answer 3

Tu profesor parece estar equivocado, se deduciría que si el sistema está aislado a 0 grados, y el agua ya estaba en estado sólido, entonces tendría que haber algún aporte de energía para proporcionar calor latente para el cambio de fase. Si bien es cierto que las temperaturas de las partículas individuales seguirán la distribución Maxwell-Boltzman, la energía total del sistema sigue sin ser suficiente para provocar un cambio de fase.

Answer 4

Tu profesor se equivoca.

El hielo se mantendrá en la misma fracción de hielo-agua que tenía cuando selló el recipiente.

Si el sistema no estaba en equilibrio térmico cuando lo cerraste, entonces podrías tener un cambio de fase ya que la energía ya estaría allí. Pero en ese caso no estás hablando de termodinámica, ya que la termo sólo se ocupa de los sistemas en equilibrio.