Во время плавления льда его температура не изменяется. Изменяется ли при этом его внутренняя энергия?

Да, внутренняя энергия льда при плавлении изменяется и даже довольно сильно возрастает, несмотря на то что температура остаётся постоянной.

Разберёмся по шагам.

1. Температура и внутренняя энергия — не одно и то же

Температура тела связана в первую очередь со средней кинетической энергией теплового движения молекул. Чем быстрее в среднем движутся молекулы, тем выше температура.

Но внутренняя энергия вещества состоит из двух частей:

1. Кинетическая энергия движения молекул (связана с температурой).

2. Потенциальная энергия взаимодействия между молекулами (связана с расстояниями и силами между ними).

Во время нагревания льда от, скажем, –10 °C до 0 °C внутренняя энергия растёт за счёт увеличения скорости движения молекул — то есть растёт кинетическая часть, и вместе с ней растёт температура.

2. Что происходит при плавлении льда

Когда лёд уже достиг 0 °C и начинается плавление:

• Температура остаётся постоянной (0 °C), пока весь лёд не растает.

• Однако мы продолжаем подводить к нему тепло.

Куда же девается это тепло, если температура не растёт?

Оно тратится не на увеличение скорости молекул (значит, не на кинетическую энергию), а на разрушение кристаллической решётки льда, то есть на ослабление связей между молекулами. Молекулы получают возможность занимать новые положения, структура становится менее жёсткой — получается жидкая вода.

Это означает, что растёт потенциальная энергия взаимодействия молекул. А раз растёт потенциальная часть, то растёт и внутренняя энергия тела в целом.

3. Количественно: скрытая теплота плавления

Количество теплоты, необходимое для плавления льда при 0 °C без изменения температуры, описывается формулой:

где
$Q$ — количество теплоты,
$\lambda$ — удельная теплота плавления,
$m$ — масса льда.

Эта теплота как раз и идёт на увеличение внутренней энергии за счёт изменения структуры и потенциальной энергии молекул, а не на нагрев (температура не меняется).

Вывод:

При плавлении льда при постоянной температуре 0 °C его внутренняя энергия увеличивается. Температура остаётся постоянной, потому что растёт не кинетическая, а потенциальная часть внутренней энергии — энергия связи между молекулами.