¿Cuál es la naturaleza del equilibrio entre el agua y el aire en un recipiente sellado que se calienta a más de 100 °C?

Tienes un recipiente rígido de 2 litros, con 1 litro de agua líquida y, encima, un litro de una mezcla de aire y vapor de agua, todo a 1 atm. La temperatura es de 20 C y la presión parcial del vapor de agua en el espacio de cabeza es la presión de vapor de equilibrio, de modo que el sistema está en equilibrio. Este es el estado inicial de equilibrio termodinámico del sistema. Comience determinando la presión parcial del aire en el espacio libre, la masa de aire en el recipiente y la masa de agua. En los cálculos subsiguientes, se permite suponer que la presión parcial del vapor de agua en el espacio libre es igual a la presión de vapor de equilibrio a la temperatura del líquido y que el aire no es soluble en el agua líquida.

Presión de vapor de agua a 20 C = 17,5 torr = 0,023 atm

Presión parcial del aire en el recipiente a 20 C = 0,977 atm

De la ley de los gases ideales, moles de vapor de agua en el espacio libre = 0,00096

Masa de agua en el espacio libre = 0,017 gramos

Masa total de agua en el recipiente = 1000.017 gramos

Moles de aire en el espacio libre = 0,04066

Masa de aire en el espacio libre = 1,18 gramos

Ahora eleva la temperatura del sistema a 50 C y deja que se equilibre. ¿Cuál es la presión parcial del vapor de agua en el espacio libre y la masa dividida entre el agua líquida y el vapor de agua? ¿Y cuál es la presión parcial del aire en el espacio libre? ¿Cuál es la presión total?

AHORA POR 50C

Presión de vapor de agua a 50 C = 92,5 torr = 0,121 atm

De la ley de los gases ideales, densidad de masa del vapor de agua en el espacio de cabeza = 0,0822 g/l = 0,0000822 g/cc

Sea x = masa de agua en fase de vapor

Masa de agua en fase liquida = 1000.017-x

Volumen de agua en el recipiente (cc) =$(1000.017-x)+\frac{x}{0.0000822}=2000$

Resolviendo para x : x = 0.0822 gramos

Agua líquida restante = 999,93 gramos

Volumen de vapor = 1.00007

De la ley de los gases ideales, presión parcial del aire = 1.077 atm

Presión total = 1,197 atm.

Ahora intente 100 C, 150 C, 200 C, etc.

Digamos que tienes un recipiente que contiene agua y aire y comienzas a calentarlo. La temperatura del agua y del aire del interior comenzarán a aumentar, al igual que la presión, porque al aire le gustaría expandirse (pero el volumen es fijo y el agua es casi incompresible). Dado que el punto de ebullición de una sustancia depende tanto de la presión como de la temperatura (por ejemplo, el agua puede hervir a temperatura ambiente en el vacío), esto evitará que el agua hierva hasta que su presión de vapor supere la presión del aire. Así funciona una olla a presión.

Cuando la presión de vapor supera la presión del aire, si se puede producir la nucleación (y este es casi siempre el caso en la vida cotidiana), el agua comenzará a hervir, parte de ella se convertirá en vapor y la presión aumentará nuevamente. Ahora la presión externa será igual a la presión de vapor y el agua ya no podrá hervir.

En cierto punto, si el recipiente no se rompe por la alta presión, llegarás al punto crítico del agua en$374$ºC-$218$Cajero automático. Por encima de este punto, el agua dejará de existir como dos fases separadas y estará presente una sola fase gaseosa.