В воду, находящуюся в термосе при 0°C, опустили кусочек льда, температура которого 0°C. Будет ли плавиться лёд?

Да, лёд будет плавиться, но не обязательно полностью — всё зависит от того, было ли у воды при 0 °C запасено тепло сверх «чистого» состояния на границе фаз (то есть была ли вода именно жидкой при 0 °C, а не смесью воды и льда).

Разберём ситуацию по физике.

1) Что означает «вода при 0 °C» и «лёд при 0 °C»

Температура 0 °C сама по себе не говорит, течёт ли вещество или твёрдое: при нормальном давлении и вода, и лёд могут иметь температуру 0 °C. При этом переход «лёд ↔ вода» при 0 °C идёт не за счёт изменения температуры, а за счёт скрытой теплоты плавления/кристаллизации.

Чтобы лёд начал плавиться при 0 °C, ему нужно получить энергию плавления. Чтобы вода при 0 °C отдала эту энергию, она должна часть себя закристаллизовать (замёрзнуть), потому что охлаждаться ниже 0 °C она не может, оставаясь жидкой (в равновесной постановке задачи).

2) Что будет происходить в термосе (теплообмена снаружи нет)

Термос исключает приток тепла извне, поэтому система «вода + лёд» должна сама перераспределить энергию внутри себя.

Если у нас в термосе изначально была именно жидкая вода при 0 °C, то при добавлении льда (тоже 0 °C) получается, что в системе стало больше льда, но температура у всех 0 °C. Для плавления добавленного льда нужна энергия, а взять её можно только из внутренних превращений: часть воды замёрзнет, выделив скрытую теплоту кристаллизации, и эта теплота пойдёт на плавление части льда.

Но важный момент: скрытая теплота замерзания воды и скрытая теплота плавления льда по модулю одинаковы. Поэтому в изолированной системе при 0 °C это превращение может идти в обе стороны, и итог определяется балансом: сколько воды должно замёрзнуть, чтобы расплавить сколько-то льда.

3) Итог: будет ли плавиться лёд?

• Если в термосе была чистая жидкая вода при 0 °C, то после опускания льда установится равновесие при 0 °C, и в общем случае получится смесь воды и льда. При этом какая-то часть льда может расплавиться, но одновременно какая-то часть воды замёрзнет. В итоге нельзя сказать, что лёд обязательно будет плавиться целиком: система просто придёт к равновесной смеси при 0 °C.

• Если в термосе изначально уже была смесь воды и льда при 0 °C, то добавление ещё одного кусочка льда при 0 °C ничего принципиально не изменит: новый лёд не будет плавиться, потому что в системе нет «лишнего» тепла — она и так уже на фазовом равновесии.

• Полное плавление льда при этих условиях невозможно, потому что для полного плавления нужен дополнительный приток энергии извне или вода должна быть теплее 0 °C.

Короткий вывод

В термосе при 0 °C лёд сам по себе не обязан плавиться. Максимум — установится равновесие при 0 °C, и обычно получается смесь воды и льда; если лёд и плавится, то только за счёт того, что часть воды при этом замерзает.