¿Es posible evitar que el agua se enfríe manteniéndola en un recipiente rígido?

respuesta corta, sin ecuaciones:

La única forma de evitar que la energía térmica (calor) fluya hacia adentro o hacia afuera de un objeto es aislarlo; de lo contrario, el calor fluirá de caliente a frío. Por lo tanto, su contenedor hipotético de líquido caliente eventualmente alcanzará la temperatura exterior, incluso si el contenedor es lo suficientemente fuerte como para resistir cualquier cambio de volumen. Lo que será diferente en el líquido es que estará bajo una presión negativa considerable ; en otras palabras, ejercerá una fuerza de contracción en las paredes de su contenedor, y podría obtener energía de este escenario al permitir que una pared del contenedor se mueva (como un pistón, por ejemplo).

con ecuaciones:

La primera ley de la termodinámica es:

1. El recipiente puede cambiar de volumen. Si esto es cierto, entonces el líquido puede hacer trabajo, y esto significa que se contrae (es decir, hace trabajo negativo):$-Q = -W$. El cambio en la energía interna después de que el líquido alcance la temperatura ambiente será cero (sin energía almacenada).
2. El recipiente no puede cambiar de volumen. Si esto es cierto, entonces no se puede realizar ningún trabajo ($W=0$) por el líquido. Toda pérdida de calor debe ir acompañada de una pérdida de energía interna:$-Q = -\Delta E$. Dado que se trata de energía almacenada, puede recuperarla permitiendo que el contenedor cambie de volumen. Entonces se haría el trabajo y terminaría en el mismo estado final que (1).

Para una botella blanda, térmicamente conductora, el volumen del contenido puede cambiar, pero la presión se mantiene constante; debe ser igual a la presión de la habitación en la que se encuentra la botella. Entonces, a medida que la temperatura del contenido disminuye, también lo hace el volumen.

Para una botella dura, térmicamente conductora, el volumen del contenido no puede cambiar, pero la presión sí. En este caso, a medida que disminuye la temperatura del contenido, también lo hace la presión.

Esto es cierto para situaciones comunes, ya sea líquido o gas, siempre que el contenido no pase por un cambio de fase a medida que cambia la temperatura.

Para responder a su pregunta, no, no podemos evitar que la temperatura baje usando un recipiente duro; el recipiente aún conduce la temperatura. La presión simplemente cae en lugar del volumen.

Como han mencionado otros, el agua eventualmente se enfriará hasta que esté en equilibrio térmico con su entorno, es decir, tenga la misma temperatura que la habitación.

El agua más fría (por encima de 4 °C) es más densa que el agua más caliente, por lo que el volumen del agua enfriada es menor que el volumen original del agua. El agua líquida es casi incompresible, por lo que no puede reducir su volumen (en una cantidad significativa) aplicando presión, y tampoco puede aumentar su volumen reduciendo la presión sobre ella. Es decir, no se puede estirar el agua. Sin embargo, si somete agua líquida al vacío, parte del líquido cambiará de estado y se convertirá en vapor de agua hasta que la presión de vapor esté en equilibrio con el líquido, y la presión de vapor dependerá de la temperatura de una manera no lineal (la presión intermolecular). las fuerzas del agua son bastante fuertes, por lo que no se comporta como un gas ideal).

Por ejemplo, digamos que nuestro contenedor tiene un volumen de 1$m^3$= 1000$L$, y lo llenamos de agua a 90°C. (Suponga que todo el aire que estaba disuelto en el agua ha sido expulsado por el proceso de calentamiento). Deje que la temperatura ambiente de la habitación sea de 20°C. Según Wolfram Alpha, las densidades del agua a esas temperaturas son:

20°C : 965.3$kg/m^3$
90°C : 998.2$kg/m^3$

Wikipedia dice que el vapor de agua a 20 °C tiene una presión de 2,3388 kPa o 0,0231 atmósferas. En otras palabras, el agua hierve a 20 °C si la presión ambiental es de 2,3388 kPa.

Tenemos 998.2$kg$de agua en nuestro 1$m^3$envase rígido sellado. Cuando la temperatura del agua baja a 20°C, su volumen se reduce a$965.3 / 998.2 = 0.9670 m^3$partida$1 - 0.9670 = 0.033 m^3 = 33 L$por el vapor de agua. Esos números no son del todo correctos porque parte del líquido se convierte en vapor, pero el volumen de líquido perdido es pequeño en comparación con el volumen total de líquido.

Este sitio da una cifra de 17.3$g/m^3$para la densidad del vapor de agua a 20°C. Entonces, la masa de agua en nuestro "bolsillo" de vapor es de alrededor de 0.033 * 17.3 = 0.57$g$, y la cantidad de líquido perdido es de alrededor de 57$mL$, que es insignificante en comparación con 967$L$.

El hecho de que el agua no se pueda estirar tiene ramificaciones importantes, como se explica en el artículo de Wikipedia sobre la cavitación .

El enfriamiento provoca la contracción, no al revés. De hecho, la contracción contrarresta parcialmente el enfriamiento. Esto se debe a que cuando la botella se contrae, se realiza un trabajo sobre la botella, lo que aumenta su energía interna. Entonces, en un recipiente rígido, el líquido se enfriaría más rápido.

El calor fluye de caliente a frío (a menos que tenga un aislamiento infinito). El agua alcanzará la temperatura exterior.

Suponga que el agua comenzó a 1 atm y 100 F. Si se enfría a 80 F, el volumen de agua disminuirá (muy levemente). El vacío se llenará de vapor de agua. La presión será la presión de vapor del agua a 80 F. El gas será de 80 F.

No se realiza trabajo sobre la botella.

Si encierra un volumen de agua completamente con un material conductor de calor flexible (sin embargo, la flexibilidad perfecta no existe), el agua no aumentará tanto con el aumento de la temperatura. Si pone agua caliente (por ejemplo, justo por debajo del punto de ebullición) en una botella blanda y deja que se enfríe por completo (por ejemplo, a cero grados centígrados), la botella "seguirá" el volumen del agua encerrada. Por debajo de unos cuatro grados centígrados, la botella se expandirá de nuevo (debido a la propiedad única de que el agua tiene un volumen mínimo no en el punto de congelación sino unos cuatro grados por encima). Bajar más la temperatura (por debajo de cero) congelará el agua y el material que encierra el agua se expandirá porque el hielo tiene un volumen mayor que el agua.

Si el agua está encerrada por un material rígido (no existe un material perfectamente rígido), conductor de calor ocurrirá lo mismo que en el caso del material flexible (flexible perfecto), pero la presión en el interior del material mostrará una Comportamiento diferente de la presión (con respecto a la temperatura; ver por ejemplo aquí ). el agua no se congelará exactamente a cero grados (como ocurre con el material flexible, pero en este caso, el efecto es más pronunciado).

Entonces, de hecho, la respuesta es no.

Estás confundiendo aquí el comportamiento del gas en la botella y el líquido en sí. Creo que es mucho menos confuso tratar estos casos por separado.

De hecho, el líquido en un contenedor cerrado nunca se enfriaría si el contenedor estuviera perfectamente aislado: la energía se conserva en un sistema cerrado.

En cuanto a un gas, esencialmente la misma respuesta, pero aquí entra el corazón de su pregunta que se reduce a la relación de temperatura y volumen y presión disponibles. Suponiendo que el gas es ideal, recuerde la ley de los gases ideales: