В колбе находятся одинаковые массы воды и льда при температуре 0 °C. Обладает ли лёд внутренней энергией? Одинаковы ли внутренние энергии воды и льда?

Да, лёд обладает внутренней энергией, даже если его температура равна 0 °C.

Внутренняя энергия тела — это энергия движения и взаимодействия его частиц: молекул, атомов, ионов. В куске льда молекулы воды не покоятся неподвижно. Они колеблются около определённых положений в кристаллической решётке. Кроме того, между молекулами действуют силы взаимодействия. Поэтому внутренняя энергия у льда есть.

Внутренние энергии воды и льда при 0 °C не одинаковы, даже если их массы одинаковы.

У воды при 0 °C внутренняя энергия больше, чем у льда той же массы при 0 °C. Это видно из процесса плавления: чтобы превратить лёд при 0 °C в воду при 0 °C, нужно сообщить ему некоторое количество теплоты. Температура при этом не меняется, но энергия поглощается. Эта энергия идёт не на увеличение средней скорости движения молекул, а на разрушение кристаллической структуры льда и изменение взаимного расположения молекул.

То есть при плавлении:

лёд при 0 °C + теплота плавления → вода при 0 °C

Температура остаётся той же самой, но внутренняя энергия увеличивается. Поэтому вода при 0 °C имеет большую внутреннюю энергию, чем лёд при 0 °C той же массы.

Разность внутренних энергий равна теплоте плавления льда:

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

Итак:

1. Лёд обладает внутренней энергией.
2. Внутренние энергии воды и льда одинаковой массы при 0 °C не одинаковы.
3. У воды внутренняя энергия больше, чем у льда, на величину теплоты плавления.