¿El hielo siempre está a 0 grados centígrados? ¿La temperatura del hielo desciende por debajo de eso? [cerrado]

Una analogía muy simple sería: El punto de fusión del cobre es de 1085°C. ¿Un bloque de cobre está siempre a 1085 °C o puede estar más frío que eso?

Tus dos preguntas no son realmente sobre lo mismo. A presión atmosférica, el agua es líquida de 0 a 100°C. Más frío que eso, y se congelará para convertirse en hielo, más caliente y se evaporará para convertirse en vapor. Nada nos impide enfriar el hielo a temperaturas inferiores a 0°C.

Este concepto erróneo podría provenir del hecho de que en agua helada, es decir, una mezcla de hielo y agua, el agua estará siempre a 0°C. La transformación de sólido a líquido consume cierta cantidad de energía, que generalmente llamamos calor latente. Veamos qué le sucede al hielo cuando le agregamos energía. Si hace menos de 0°C, comenzará a calentarse, hasta llegar a 0°C. En ese momento, comenzará a derretirse. Pero, debido a que la fusión requiere energía, debemos continuar agregando esta energía al sistema. En lugar de aumentar aún más la temperatura, toda la energía que agregamos ahora se destina a derretir el hielo y la temperatura permanece sin cambios. Tanto el hielo como el agua líquida (la parte que ya se ha derretido) están ahora a 0°C. Mientras haya hielo presente, agregar energía al sistema solo derretirá el hielo y no aumentará la temperatura. Solo cuando todo el hielo se haya vuelto líquido,

El mismo argumento que al principio vale para el vapor. Una vez que el agua está gaseosa, nada nos impide calentarla más. Pero, como el agua solo es líquida de 0 a 100 °C, no podemos enfriarla por debajo de 0 o calentarla por encima de 100 °C sin que pase a una fase diferente (suponiendo nuevamente la presión atmosférica).

Hay algunas excepciones a esto. El agua sobreenfriada o sobrecalentada está por debajo de 0 y por encima de 100 °C, respectivamente. Pero no están en equilibrio termodinámico, y cualquier perturbación suficiente hará que se congelen o se evaporen casi instantáneamente. Para comenzar a congelarse, el agua necesita algunas imperfecciones en las que pueda comenzar la cristalización. Estos pueden ser pequeñas partículas de polvo o cualquier otra cosa que flote en el agua. Si el agua y el recipiente son realmente puros y no existen lugares en los que pueda comenzar el proceso de cristalización, el agua permanecerá líquida incluso por debajo de 0°C.

The temperature is really just the inner energy, or the mean velocity of particles. When we do work to the material, its inner energy changes. In most cases, the temperature changes linearily with the inner energy. But when we want water to evaporate, we need to do even more work to go across the boiling point because it needs to escape gravity. So, we need to give even more energy for water to evaporate. Same is with the freezing point. It looks like this on graph:

Y aquí viene la respuesta a tu pregunta: el hielo puede estar a más de 0 °C. Da la casualidad de que las moléculas de agua se juntan fuertemente a 0 °C (lo llamamos hielo), pero esto no impide que se enfríe aún más porque las moléculas en el hielo aún vibran con cierta velocidad. Dijimos que la temperatura es solo energía interna, o la velocidad media de la partícula. A temperaturas más bajas, las partículas se mueven más lentamente y pueden (teóricamente) alcanzar la velocidad de 0. Esto sucede alrededor de -273,15 °C, por lo que el hielo puede enfriarse a esta temperatura.

Sobre la segunda pregunta: depende de la definición de agua. Mi definición es: el agua es hielo, agua líquida y vapor. Por lo tanto, el agua puede calentarse a más de 100 °C. Pero esto ya no es agua líquida, es vapor. Cuando el agua líquida alcanza los 100 °C, la "rebautizamos" como vapor. Entonces, tiene razón en parte, porque el agua líquida necesita esperar para alcanzar el calor suficiente (gráfico de arriba) para pasar el punto de ebullición y convertirse en vapor. Y sí, el vapor puede estar a más de 100 °C.

Puedes hacer hielo tan frío como quieras siempre que tengas un congelador lo suficientemente bueno. Si configura su congelador a -1 C y le pone agua, tendrá (después de suficiente tiempo) hielo que también está a -1 C. Si configura su congelador a -10 C y le pone agua, tendrá (después de suficiente tiempo) tenga hielo que también esté a -10 C.

Lo especial de 0 C es que es el punto (en condiciones normales en la mayoría de la Tierra) en el que el agua puede ser sólida (hielo) o líquida. Una vez que el agua se enfríe, definitivamente será hielo y una vez que se caliente, definitivamente, hasta el punto de ebullición cuando se convierta en gas, será líquido. Esta es la respuesta para la mayoría de las situaciones "habituales" en la Tierra en condiciones normales. Como han indicado otras respuestas y comentarios, existen otras posibilidades como el sobreenfriamiento y la presión atmosférica también importa. Pero como parece estar interesado en los casos cotidianos más simples, creo que esta es su respuesta simple.

Por otro lado, 100 C es el punto donde el agua puede ser gas (vapor) o líquida. Más cálido y definitivamente será gas. Más frío y, hasta el punto de congelación, será líquido. En teoría, no hay nada que evite que el agua se caliente a más de 100 C, aunque en la práctica tendría que atrapar el vapor para mantenerlo lo suficientemente cerca de su fuente de calor para que esto suceda. Nuevamente, esto es en las condiciones cotidianas más normales. Hay otros efectos posibles como el sobrecalentamiento y la presión atmosférica también es importante para la ebullición.

De los dos, por cierto, la presión atmosférica tiene algunas consecuencias para la persona común que vive a gran altura en el punto de ebullición. Ocasionalmente verá instrucciones de cocción de alimentos que dan instrucciones diferentes para las personas que viven en altitudes más altas. Esto generalmente se debe a que el punto de ebullición del agua es más bajo allí (porque a mayor altitud la presión atmosférica es un poco más baja que cerca del nivel del mar). "Hervir" la comida allí la calienta un poco menos, lo que en algunos casos hace una diferencia notable. Una olla a presión, por otro lado, funciona al revés. Atrapa el gas en la olla, aumentando la presión a medida que aumenta la temperatura. Esto permite que el agua restante en la olla a presión se caliente a más de 100 ° C (sin convertirse en vapor) y, por lo tanto, se "hierve".