¿Por qué el hielo se derrite, espera los 100 grados y LUEGO se vaporiza? ¿Por qué no es continuo el proceso de expansión de las cosas?

La diferencia entre sólido y líquido radica en la estructura atómica. El hielo es cristalino (y por lo tanto en un estado ordenado) mientras que el agua no tiene tal ordenación. es amorfo.

Entonces, la razón del cambio abrupto de estado es que algo no se puede ordenar y desordenar al mismo tiempo . Ahora puede decir "Oye, ¿por qué no tener algunas regiones que están ordenadas y conectarse a otras regiones que no están ordenadas?" Ese estado existe y se conoce comúnmente como nieve húmeda con diversos grados de "humedad".

Un caso extremo que me gustaría mencionar: la cristalización lleva tiempo. El vidrio y algunos termoplásticos son amorfos en su estado sólido y, posteriormente, no muestran un cambio brusco en las propiedades, sino que pasan lentamente de sólido a líquido.

De hecho, la distinción entre fase líquida y gaseosa desaparece en algún momento, principalmente a mayor presión. Más allá del llamado punto crítico, los dos estados son indistinguibles. Por lo tanto, es posible pasar de agua líquida a vapor sin cambio de fase .

En esencia, existen cambios abruptos de fase de sólido a líquido para materiales que tienen una alta tendencia a formar cristales. La mayoría de las sustancias puras se pueden organizar de manera regular y, por lo tanto, tienden a formar cristales. El vidrio (SiO2) a menudo se mezcla con otras sustancias para impedir la cristalización. Puedes convertir cualquier cosa en amorfa enfriándola rápidamente.

El cambio de fase de líquido a sólido es menos abrupto de lo que piensas. Existe sólo para baja presión y bajas temperaturas. Qué tan bajo, depende de la sustancia.

La mayor parte de lo anterior es válido para cualquier sustancia, no solo para el agua.

Hay fuerzas atractivas bastante fuertes pero de corto alcance que mantienen a las moléculas en una malla cristalina o en líquido. La fuerza y ​​​​el corto alcance de las fuerzas dan como resultado la inestabilidad de la forma de material "sólido", "líquido" o "vapor".

Para ilustrar la inestabilidad, considere un experimento mental. Tenemos un imán y una pieza de metal ferromagnético. Ponemos un trozo de metal sobre la mesa. Cuando nos acercamos con el imán desde la parte superior, hay tres casos posibles: la distancia entre el imán y el metal puede ser:

• lo suficientemente lejos - no hay atracción visible
• demasiado cerca: la pieza de metal se levanta y hace clic en el imán
• cierta distancia en el medio: la pieza de metal está suspendida entre la mesa y el imán (la distancia se mantiene justo, no demasiado lejos para caerse y no demasiado cerca para ser levantada). Como podemos ver esta situación es bastante difícil de mantener. La forma de material "sólido" o "líquido" corresponde a este caso.

Esta analogía (no completamente precisa) responde por qué no hay una forma sólida de agua ni una forma líquida de vapor en condiciones normales (bajo presión atmosférica).

Sin embargo, la pregunta "por qué el agua espera a 100 grados" permanece. Nuestro problema es que el vapor de agua es transparente a los ojos humanos y no podemos distinguirlo del aire. Si pudiéramos ver el vapor de agua y si observamos que el agua se calienta (y finalmente hierve) con suficiente cuidado, veríamos cambios continuos (no abruptos). Resulta que el agua no espera a los 100 grados.

Cuando el agua se calienta de 0 a 100 grados (bajo presión atmosférica) hay una concentración cada vez mayor de vapor de agua por encima del nivel del agua. Hay una concentración del 100% a la temperatura de ebullición. Para describir bien el proceso se utiliza el término "presión parcial" de un vapor de agua.

La presión de un vapor de agua a la temperatura de ebullición es suficiente para inflar pequeñas burbujas de aire dispersas en el agua, que es visible en ebullición . El agua obtiene superficies adicionales a través de las cuales se evapora. Cuando calentamos el agua más rápidamente, las superficies adicionales se crean más rápidamente y la evaporación se acelera. La evaporación enfría el agua y es la razón por la cual la temperatura se detiene a los 100 grados.

Ahora echemos un vistazo al mecanismo de cómo el agua se enfría por evaporación. La temperatura está relacionada con la velocidad media de las moléculas. La distribución de velocidades no es uniforme. Las moléculas que escapan del agua actúan contra fuerzas atractivas de corto alcance que intentan mantenerlas en el agua.

Solo las moléculas más rápidas logran escapar. Cuando las moléculas más rápidas escapan, la velocidad promedio disminuye. Entonces el agua está más fría. Por otro lado, las moléculas que escapaban eran atraídas hacia atrás (durante el escape) y, por lo tanto, se ralentizaban. Una vez que las moléculas escapadas están en el vapor, son lentas. La velocidad media de las moléculas de vapor se reduce. Entonces el vapor es más frío.

Llene un recipiente con agua, déjelo reposar durante unos días y luego vea cuánta agua queda. Vaporizador de agua todo el tiempo dependiendo de las condiciones. Ebullición significa que se crean campanas de vapor en todas partes a través del líquido. Por debajo de la temperatura de ebullición, la vaporización solo ocurre en la superficie límite con el aire.

Según John Rennie, es posible que haya leído mal la pregunta, por lo que agregaré una explicación detallada. Pero como Raja es un estudiante de primer año de secundaria, lo que significa 13 años de edad en mi país, trato de mantenerlo simple. Por supuesto, la edad podría ser mayor en la India, y su conocimiento básico podría ser mejor que el de un niño holandés de 13 años. Visto en el perfil de Raja, su edad es 17.

Primero tenemos que tener en cuenta el punto de vista macro versus el punto de vista micro, macro significa materia, fase, densidad, temperatura, etc. Micro significa moléculas, fuerzas, velocidad, distancia, energía, etc. ¿Qué sucede con las moléculas en el El micromundo determina el comportamiento de la materia en el macromundo. Las moléculas en la materia tienen energía cinética así como energía potencial. La energía cinética de las moléculas depende de la temperatura de la materia. La energía potencial depende de la distancia entre las moléculas, así como de las fuerzas de atracción que las moléculas ejercen entre sí. Estas fuerzas suelen ser mayores cuanto menor es la distancia entre las moléculas.

Las fuerzas son las que determinan la fase de la materia. Si son lo suficientemente grandes, las moléculas se mantienen en su lugar unas con respecto a otras. Este es un sólido.

Si las fuerzas son más bajas, las moléculas pueden moverse entre sí, pero permanecer unas con otras. Este es un líquido. Puedes observar este comportamiento cuando derramas un poco de agua sobre la mesa. El agua se extenderá, pero no indefinidamente. Además, cuando dos gotas están lo suficientemente cerca, se unirán en una sola gota.

En la materia gaseosa, las fuerzas entre las moléculas son muy pequeñas y las moléculas se mueven libremente.

Entonces, para cambiar la fase de una materia, las fuerzas deben reducirse lo suficiente como para permitir que las moléculas se muevan en relación para alcanzar a otras. Esto se hace agregando energía cinética a las moléculas, dejándolas vibrar en su lugar. Si la velocidad se vuelve lo suficientemente grande, las moléculas pueden alejarse unas de otras. La temperatura es una indicación de la energía cinética promedio de las moléculas. Entonces, para que todas las moléculas se muevan a una velocidad lo suficientemente alta, la materia necesita una temperatura mínima. Aumentar la distancia entre las moléculas significa que se debe realizar trabajo, ya que desea mover las moléculas contra las fuerzas de atracción. Esto aumentará la energía potencial de las moléculas. Al mismo tiempo, las fuerzas de atracción se reducen.

Cuando calientas la materia, la energía suministrada se usa principalmente para aumentar la energía cinética de las moléculas, elevando la temperatura. Cuando se alcanza el punto de fusión, la energía suministrada se usa principalmente para aumentar la energía potencial de las moléculas, manteniendo constante la energía cinética promedio que observamos como un punto de fusión fijo.

Como escribí al principio, el agua se evaporará a temperaturas por debajo del punto de ebullición. Esto se debe a que algunas moléculas obtienen energía cinética a través de colisiones con moléculas vecinas. La energía cinética de la molécula se convierte en energía potencial a medida que se aleja de las otras moléculas. Si la energía ganada es lo suficientemente alta, la molécula se moverá lo suficiente como para considerarse libre del agua. Dado que la energía cinética promedio permanece igual, la temperatura del agua no cambia.

Existe una gama continua de comportamientos, a medida que se eleva la energía térmica en un material. Sin embargo, es un rango continuo muy discreto =) Es como una escalera. En teoría, las escaleras pueden moverse y doblarse bajo el peso de su pie; en la práctica, los tratamos como pasos duros y rígidos.

Como analogía, comencemos con una baraja de cartas, ordenadas y del mismo palo. Este es un sistema muy ordenado y vamos a afirmar que se relaciona con el hielo. En el hielo, las fuerzas intermoleculares son tremendamente fuertes en comparación con la energía térmica. Mantiene todo en su lugar. En nuestra analogía con las cartas, podemos compararlas con algunas cartas muy gruesas e inflexibles, como si estuvieran hechas de hierro. Si intenta barajarlos con un riffle shuffle, encontrará que no puede. Las cartas simplemente se niegan a moverse, sin importar cuántas veces intentes "barajarlas". Del mismo modo, las moléculas en el hielo están bloqueadas de tal manera que es extraordinariamente improbable que la energía térmica mueva una molécula a un nuevo lugar. Esto lo hace rígido.

Ahora, subamos la temperatura. En esta analogía con las cartas, haremos que las cartas sean un poco más flexibles. En el hielo, estamos agregando más energía térmica, permitiendo que las cosas reboten más rápido. En algún momento, las cartas se doblan lo suficiente como para permitir una mezcla, justo cuando las fuerzas intermoleculares finalmente son superadas por parte del movimiento térmico, lo que permite el movimiento.

Ahora, si barajas una baraja rígida una vez, no cambiaría mucho el orden . Hay una razón por la que tienes que barajar un mazo varias veces antes de repartirlo. La naturaleza... nunca baraja ni una sola vez. La aleatoriedad térmica es una operación muy rápida, como barajar la baraja mil veces. Entonces, una vez que tenga suficiente flexibilidad en las cartas para superar la rigidez que evita que se barajen, se barajan realmente , muy rápido . De hecho, hay un estado de la materia que es sólido, una baraja parcialmente barajada, pero dura solo un período de tiempo muy breve, ya que la creciente movilidad permite que más moléculas de alta energía choquen con las sólidas, empujándolas. Muy rápidamente, los supuestos de los objetos rígidos nos fallan. Vemos movimiento y fluidez.

Entonces podemos barajar la baraja por un rato. Pero las moléculas aún se mantienen unidas por los enlaces de hidrógeno. Ningún átomo puede escapar. Bueno, de vez en cuando, uno se escapa, vaporizándose. Es realmente vergonzoso que una carta se escape de tu mazo mientras barajas, pero sucede si barajas miles de veces. Pero, ¿y si hacemos que la baraja sea cada vez más flexible y almacenemos más y más energía en la elasticidad de las cartas? En algún momento, tu habilidad para barajar las cartas falla, las cartas van a todas partes y juegas un juego de 52 cartas.

En el agua, esto sucede en un punto donde las fuerzas intermoleculares ya no pueden obligar al agua a permanecer en una masa fluida, retenida por la gravedad. La energía de los átomos es tan grande que pueden escapar y pueden hacerlo en cualquier punto.

Ahora, ¿por qué estos bordes son tan nítidos? Estamos hablando de efectos térmicos, por lo que hay un grado de aleatoriedad en la explicación. Cada molécula tiene la oportunidad de tener una velocidad lo suficientemente alta como para comenzar a actuar más fluida o más gaseosa. Entonces, en teoría, existe una función de densidad de probabilidad que describe qué porción de las moléculas actúan como hielo, cuáles actúan como agua y cuáles como gas.

Sin embargo, hay muchos átomos. Y cuando tienes muchos de ellos, el teorema del límite central comienza a entrar en juego. Dice que si sumas suficientes sorteos de una variable aleatoria con una varianza finita$\sigma^2$, la suma se acerca cada vez más a parecerse a una distribución normal con varianza$\frac{\sigma^2}{\sqrt N}$, dónde$N$es el número de sorteos.

Tome suficientes sorteos, como los 33,460,000,000,000,000,000,000,000 átomos en un solo centímetro cúbico de agua y la varianza de esta variable aleatoria se vuelve muy, muy estrecha. Tan apretados que puede ser difícil, o incluso imposible, medirlos en medio de otros efectos (como respirar en el agua o cualquier ion disuelto). Entonces, para fines prácticos, lo tratamos como si no hubiera variación. Lo tratamos como si hubiera simplemente 3 (o cuatro) estados discretos de la materia.

Por cierto, te encontrarás con esto en la mecánica cuántica, más adelante. Alguien te dirá que la luz es tanto una onda como una partícula, y te rascarás la cabeza, tratando de darle sentido a eso y tratando de vincularlo a tu realidad. Le dirán que los comportamientos en el mundo de QM son aleatorios, después de pasar años aprendiendo física determinista fácil y agradable en la escuela. Solo recuerda que tu realidad consiste en miles de millones y miles de millones de fotones, y cuando tienes suficientes, el teorema del límite central comienza a surtir efecto, y todas esas complicadas aleatoriedades se convierten en algo mucho más simple: la mecánica clásica, con su agradable comportamientos deterministas.

De acuerdo, tal vez no sea mucho más simple. El agua sigue siendo complicada. ¡Pero se entiende la idea!