Energía por partícula vs potencial químico vs energía de evaporación

La "energía de evaporación" no es lo mismo que el potencial químico, porque te olvidaste de la entropía. por ejemplo, en$100\,\rm^\circ C$, el potencial químico del agua líquida y el vapor de agua es exactamente el mismo, porque están en "equilibrio difusivo" (el número de moléculas que pasan del vapor al gas es, en promedio, igual al número que se mueve en la dirección opuesta) . Pero la energía de enlace es mucho mayor para el líquido: se necesita mucha energía para separar una molécula de líquido de las moléculas líquidas circundantes (a las que es atraída), pero prácticamente no se necesita energía para separar una molécula de vapor de agua del otras moléculas de vapor de agua.

La energía de evaporación parece lo mismo que la entalpía por partícula, mientras que el potencial químico es la energía libre de Gibbs por partícula.

ACTUALIZAR CON MÁS DETALLES: ¿Cómo es que, microscópicamente, el líquido y el vapor en$100\,\rm^\circ C$están en equilibrio difusivo, a pesar de que las moléculas líquidas tienen una gran energía de enlace al succionarse juntas, y las moléculas de vapor casi no tienen ninguna? Bueno, en un momento dado, hay una capa completa de moléculas líquidas en la superficie superior, y cualquiera de ellas podría obtener aleatoriamente suficiente energía para salir volando.

Por otro lado, en un momento dado, solo hay un pequeño puñado de moléculas de vapor que están lo suficientemente cerca de la superficie del líquido como para ser absorbidas y unirse al líquido. En otras palabras, si me muestra una molécula aleatoria en la interfase líquido-vapor, diría que es mucho más probable que elija permanecer en el líquido en lugar del vapor, pero esto se equilibra con el hecho de que si me muestra una molécula aleatoria en la interfase líquido-vapor, es mucho más probable que me muestre una molécula proveniente de líquido que de vapor. (Esta es una forma común en que un efecto entrópico puede manifestarse microscópicamente).

En una simulación microscópica en$100\,\rm^\circ C$, de hecho vería que tantas moléculas líquidas se convierten en vapor como al revés. Eso significa que , por definición, el líquido y el vapor tienen el mismo potencial químico en$100\,\rm^\circ C$.

¿Qué tal en$50\,\rm^\circ C$? ¿Cuál es la definición microscópica de la diferencia de potencial químico entre líquido y vapor en$50\,\rm^\circ C$? Ciertamente, el potencial químico líquido es más bajo, porque más moléculas de vapor se convierten en líquido que viceversa. Pero si inclina el sistema a favor de la creación de moléculas de vapor, puede manipular la simulación para obtener un equilibrio difusivo. Por ejemplo, agrega un campo de fuerza artificial a la simulación que cubre la superficie del líquido y tiene el efecto de que una molécula de líquido gana$1\,\rm eV$de energía cinética cuando se convierte en vapor y, a la inversa, una molécula de vapor tiene que perder$1\,\rm eV$de energía cinética para llegar a la superficie del líquido.

Quizás ahora , resulta que el líquido y el vapor están en equilibrio difusivo. Si es así, entonces ha demostrado a través de esta simulación que la diferencia de potencial químico entre el líquido y el vapor en$50\,\rm^\circ C$es exactamente$1\,\rm eV$. (Los potenciales químicos no se calculan así en la práctica, pero es una buena forma conceptual de imaginarlo).