¿Por qué hay vapor sobre la superficie del agua a presión atmosférica y temperatura ambiente?

Question

¿Por qué hay vapor sobre la superficie del agua a presión atmosférica y temperatura ambiente?

borun chowdhury

Si tengo un vaso de precipitados con agua pura que tiene un pistón justo encima de la superficie del agua que mantiene una presión de 1 atm, entonces por debajo de 100 °CI no esperaría tener vapor de agua. En otras palabras, el pistón seguirá tocando la superficie del agua. Por encima de 100 °C, el pistón subirá mucho y solo tendré vapor dentro del vaso de precipitados.

La única región de coexistencia de agua+vapor es a 100 °C. Todo esto está en el límite termodinámico, por lo que no estoy considerando fluctuaciones.

Sin embargo, ahora considere lo siguiente. Supongamos que tengo un gas especial que no interactúa ni se disuelve en agua. Introduzco algo de este gas especial entre la superficie del agua y el pistón y todavía mantengo una presión de 1 atm. Ahora consideremos el sistema a 50 °C.

No puedo ver ninguna diferencia entre las dos configuraciones (con y sin el gas especial) en lo que respecta al agua y, por lo tanto, a 50 °CI no esperaría que el agua esté en forma de vapor. Y, sin embargo, mi instinto/experiencia me dice que hay algo de vapor en el espacio entre la superficie del agua y el pistón. Para ver esto imagina poner unos cubitos de hielo en el pistón. Uno esperaría que las gotas se condensaran en el pistón.

¿Qué me estoy perdiendo?

Edición 1 Adición de diagramas de fase para aclaración y discusión. Es del libro de James Sethna sobre mecánica estadística.

Edición 2 Estoy agregando un diagrama de la configuración. El punto es que empiezo con la configuración a 50 °C y 1 atm con agua en la parte inferior y un gas ideal que no se disuelve en agua en la parte superior con los dos separados por una partición. ¿Qué pasará cuando elimine la partición? ¿Algo del agua en fase líquida se convertirá en fase de vapor? Si es así, ¿cómo se calcula la cantidad de agua que se convertirá en vapor? Suponga que conocemos la masa del agua y la del gas.

Bob D.

¿Está familiarizado con la psicrometría, el estudio del vapor de agua en el aire atmosférico y la carta psicrométrica?

borun chowdhury

No, no lo soy, pero creo que esta es una simple pregunta de termodinámica que debería responderse sin los detalles específicos de las propiedades del agua y el aire. Quiero decir que puedo hacer esta pregunta sobre dos sustancias ficticias en las que una de ellas admita una transición de fase de primer orden de líquido-vapor.

j murray

Me preocupa que su suposición de un gas especial que no interactúa de ninguna manera con el agua sea demasiado artificial para producir una respuesta que encaje con la intuición. Suponiendo una temperatura y presión establecidas para su gas, el hecho de que no pueda disolverse o condensarse simplemente significa que hace que un volumen determinado de su cilindro sea inaccesible para el agua. En ese sentido, ¿en qué se diferencia de un bloque sólido de material inerte?

bob jacobsen

@J.Murray La diferencia entre un gas inerte y un sólido inerte es que otros gases, incluido el vapor de agua, pueden ocupar los espacios entre las moléculas del gas mucho más fácilmente que entre las moléculas del sólido.

j murray

@BobJacobsen Sí, pero teniendo en cuenta las exigencias de que se fije la presión absoluta y que nada del gas se pueda disolver, no veo cómo la presencia del gas hace otra cosa que excluir el vapor de agua del volumen entre el pistón y el líquido . Sé que no es físico; Me preocupa que sea tan poco físico que la respuesta real a la pregunta tal como se planteó sea más o menos inútil para la intuición física.

bob jacobsen

@ J.Murray Comience con una cierta cantidad de "gas especial" puro. El agua se evapora. Cualquiera que sea el mecanismo que controla el pistón para que "mantenga una presión de 1 ATM" hace lo suyo mientras eso sucede. Terminas con gas especial a la misma presión, misma temperatura, mayor volumen.

curtidor swett

@JMurray No veo nada en la pregunta que sugiera que el gas excluye el vapor de agua. De hecho, la pregunta establece que el gas no interactúa con el agua, lo que implica que el gas no excluye el vapor de agua. (Supongo que técnicamente, también implica que el gas no ejerce ninguna presión sobre el agua, pero supongo que el autor de la pregunta pretendía mantener la situación más o menos realista).

Vicente Fourmond

Lo que te falta es que la presión en el diagrama de fase corresponda a la presión parcial del agua en la atmósfera, no a la presión absoluta. Puede estar a 1 atm de presión absoluta y tener muy poco vapor de agua en el aire, por lo que una presión parcial muy pequeña.

semiextrínseco

"[Con] un pistón justo encima de la superficie del agua que mantiene 1 atm y luego por debajo de 100 °CI no esperaría tener vapor de agua". Creo que tal vez parte de la confusión es que, en estas condiciones, el pistón tiene que tocar la superficie del agua . En este caso, no puede haber ningún volumen entre la superficie del agua y el pistón. Si tira del pistón para crear este volumen, la presión caerá hasta la presión de coexistencia antes de que parte del líquido comience a hervir y convertirse en vapor.

borun chowdhury

@semi-extrinsic No es una confusión. A 1 ATM y 50 C para agua pura, el pistón tocará la superficie del agua. Mira el diagrama. Con la partición roja en su lugar, tenemos esta configuración. La única pregunta es si eliminamos la partición, ¿qué sucederá?

Bob D.

@The_Sympathizer Por cierto, pensé que deberías saber que creo que hiciste algunos buenos puntos en la publicación que eliminaste. Sobre todo la primera frase. La única razón por la que la tasa de evaporación en la mayoría de los sólidos es tan baja (con algunas excepciones notables) es que la fuerza de los enlaces intermoleculares solo permite que escapen aquellas moléculas con una energía cinética mucho más alta que el promedio.

Respuestas (5)

¿Por qué hay vapor sobre la superficie del agua a presión atmosférica y temperatura ambiente?

¿Está familiarizado con la psicrometría, el estudio del vapor de agua en el aire atmosférico y la carta psicrométrica?
No, no lo soy, pero creo que esta es una simple pregunta de termodinámica que debería responderse sin los detalles específicos de las propiedades del agua y el aire. Quiero decir que puedo hacer esta pregunta sobre dos sustancias ficticias en las que una de ellas admita una transición de fase de primer orden de líquido-vapor.
Me preocupa que su suposición de un gas especial que no interactúa de ninguna manera con el agua sea demasiado artificial para producir una respuesta que encaje con la intuición. Suponiendo una temperatura y presión establecidas para su gas, el hecho de que no pueda disolverse o condensarse simplemente significa que hace que un volumen determinado de su cilindro sea inaccesible para el agua. En ese sentido, ¿en qué se diferencia de un bloque sólido de material inerte?
@J.Murray La diferencia entre un gas inerte y un sólido inerte es que otros gases, incluido el vapor de agua, pueden ocupar los espacios entre las moléculas del gas mucho más fácilmente que entre las moléculas del sólido.
@BobJacobsen Sí, pero teniendo en cuenta las exigencias de que se fije la presión absoluta y que nada del gas se pueda disolver, no veo cómo la presencia del gas hace otra cosa que excluir el vapor de agua del volumen entre el pistón y el líquido . Sé que no es físico; Me preocupa que sea tan poco físico que la respuesta real a la pregunta tal como se planteó sea más o menos inútil para la intuición física.
@ J.Murray Comience con una cierta cantidad de "gas especial" puro. El agua se evapora. Cualquiera que sea el mecanismo que controla el pistón para que "mantenga una presión de 1 ATM" hace lo suyo mientras eso sucede. Terminas con gas especial a la misma presión, misma temperatura, mayor volumen.
@JMurray No veo nada en la pregunta que sugiera que el gas excluye el vapor de agua. De hecho, la pregunta establece que el gas no interactúa con el agua, lo que implica que el gas no excluye el vapor de agua. (Supongo que técnicamente, también implica que el gas no ejerce ninguna presión sobre el agua, pero supongo que el autor de la pregunta pretendía mantener la situación más o menos realista).
Lo que te falta es que la presión en el diagrama de fase corresponda a la presión parcial del agua en la atmósfera, no a la presión absoluta. Puede estar a 1 atm de presión absoluta y tener muy poco vapor de agua en el aire, por lo que una presión parcial muy pequeña.
"[Con] un pistón justo encima de la superficie del agua que mantiene 1 atm y luego por debajo de 100 °CI no esperaría tener vapor de agua". Creo que tal vez parte de la confusión es que, en estas condiciones, el pistón tiene que tocar la superficie del agua . En este caso, no puede haber ningún volumen entre la superficie del agua y el pistón. Si tira del pistón para crear este volumen, la presión caerá hasta la presión de coexistencia antes de que parte del líquido comience a hervir y convertirse en vapor.
@semi-extrinsic No es una confusión. A 1 ATM y 50 C para agua pura, el pistón tocará la superficie del agua. Mira el diagrama. Con la partición roja en su lugar, tenemos esta configuración. La única pregunta es si eliminamos la partición, ¿qué sucederá?
@The_Sympathizer Por cierto, pensé que deberías saber que creo que hiciste algunos buenos puntos en la publicación que eliminaste. Sobre todo la primera frase. La única razón por la que la tasa de evaporación en la mayoría de los sólidos es tan baja (con algunas excepciones notables) es que la fuerza de los enlaces intermoleculares solo permite que escapen aquellas moléculas con una energía cinética mucho más alta que el promedio.

teórico · Answer 1

Como han dicho otros, aquí está la diferencia:

Caso I: A 50 C y 1 atm, en un sistema que contiene solo agua pura, toda el agua estará en estado líquido. Eso es lo que le mostraría el diagrama de fase (a) si los ejes estuvieran numerados: no está en una línea de coexistencia; más bien, estás directamente dentro de la región líquida.

Caso II: A 50 C y 1 atm, en un sistema que contiene agua y aire, parte del agua estará en estado gaseoso.

La pregunta natural es entonces: ¿Por qué?

La respuesta: No hay entropía de mezcla en el Caso I, pero sí en el Caso II .

Específicamente: las moléculas de agua se moverán entre fases desde regiones donde su potencial químico es más alto, a donde es más bajo, hasta que el potencial químico sea uniforme, momento en el que habrá alcanzado el equilibrio (con respecto al agua).

A 50 C y 1 atm, el potencial químico del agua pura en estado líquido es menor que el del agua pura en estado gaseoso. Así, en el Caso I, donde sólo tenemos la posibilidad de agua pura líquida y agua pura gaseosa, toda el agua quedará en estado líquido.

Sin embargo, consideremos ahora el Caso II. Supongamos que tenemos algo de agua en estado gaseoso. ¿Por qué toda esa agua gaseosa no pasa al estado líquido, como en el Caso I? ¡La razón es que el agua en estado gaseoso no es agua pura! Es agua mezclada con su gas inerte. Y su potencial químico se reduce (en relación con el del vapor de agua puro) como resultado del aumento de entropía asociado con esta mezcla.. Si la presión parcial del agua es menor que su presión de vapor, pasará de la fase líquida a la fase gaseosa. Mientras esto sucede, el potencial químico del agua en fase gaseosa aumentará. Cuando el potencial químico del agua en fase gaseosa (que incluye la entropía de la mezcla) alcanza el potencial químico del agua líquida, se ha alcanzado el equilibrio. En este punto, la presión parcial del vapor de agua será igual a su presión de vapor:

Definición de términos:

$\mu_{H_2O(g)}^{mix}(T, P_{H_2O(g)})$ es el potencial químico del vapor de agua en una mezcla gaseosa a temperatura $T$ y presión parcial $P_{H_2O(g)}$

$\mu_{H_2O(g)}^o(T)$ y $\mu_{H_2O(l)}^o(T)$ son los potenciales químicos del agua pura gaseosa y líquida, respectivamente, a temperatura $T$ y presión estándar $P^o$ (dónde $P^o$ = 1 barra; 1 bar es aproximadamente 1 atm).

Entonces:

m_{H_{2} O (gramo)}^{metro i X} (T, {PAG}_{H_{2} O (gramo)}) = m_{H_{2} O (gramo)}^{o} (T) + R T yo norte \frac{{PAG}_{H_{2} O (gramo)}}{{PAG}^{o}},

$\mu_{H_2O(g)}^{mix}(T, P_{H_2O(g)}) = \mu_{H_2O(g)}^o(T) + RT ln \frac{P_{H_2O(g)}}{P^o},$

donde el término logarítmico es la contribución de la entropía de mezcla al potencial químico. Puede ver que cuanto menor sea la presión parcial del vapor de agua, menor será el potencial químico resultante.

En el equilibrio, los potenciales químicos del agua en estado líquido puro y gaseoso mixto son iguales:

m_{H_{2} O (gramo)}^{metro i X} (T, {PAG}_{H_{2} O (gramo)}) = m_{H_{2} O (yo)}^{o} (T)

$\mu_{H_2O(g)}^{mix}(T, P_{H_2O(g)}) = \mu_{H_2O(l)}^o(T)$

y por lo tanto:

m_{H_{2} O (gramo)}^{o} (T) + R T yo norte \frac{{PAG}_{H_{2} O (gramo)}}{{PAG}^{o}} = m_{H_{2} O (yo)}^{o} (T)

$\mu_{H_2O(g)}^o(T) + RT ln \frac{P_{H_2O(g)}}{P^o} = \mu_{H_2O(l)}^o(T)$

Como consecuencia:

R T yo norte \frac{{PAG}_{H_{2} O (gramo)}}{{PAG}^{o}} = m_{H_{2} O (yo)}^{o} (T) - m_{H_{2} O (gramo)}^{o} (T)

$RT ln \frac{P_{H_2O(g)}}{P^o} = \mu_{H_2O(l)}^o(T) - \mu_{H_2O(g)}^o(T)$

A 50 C y 1 atm, el potencial químico del agua líquida pura es menor que el del agua gaseosa pura. Por lo tanto, el RHS es negativo. El equilibrio se produce cuando $P_{H_2O(g)}$ es lo suficientemente bajo como para que el LHS sea igualmente negativo. Esta es la presión de vapor del agua a esa temperatura.

NB: Usted especificó que su gas no se disolvió en agua líquida. Pero, ¿y si fuera un gas real y lo hiciera? En ese caso, ¿la presencia del gas real (por ejemplo, aire) no reduciría también el potencial químico del agua líquida? La respuesta es sí, pero la cantidad en la que el potencial químico del agua líquida se reduce por este efecto es relativamente pequeña.

Sí, yo también estaba pensando en este sentido. Estaba pensando que la mera presencia del espacio adicional debido al gas especial entre el líquido y el pistón significaría una configuración más entrópica cuando parte del vapor sube allí, pero nuevamente estoy tratando de obtener un control cuantitativo aquí. ¿Dónde puedo ver los resultados del potencial químico de reducción de vapor por entropía de mezcla? Debería poder derivarlo con un poco de esfuerzo, pero si hay una referencia útil, hágamelo saber.
@BorunChowdhury He agregado un conjunto de ecuaciones que muestran cómo la entropía de la mezcla reduce el potencial químico del vapor de agua
Muchas gracias. ¿Podría explicar la derivación de la primera ecuación o, alternativamente, señalarme la fuente correcta y eso debería atar los cabos sueltos? Intentaré derivarlo yo mismo y, si lo hago antes de que responda, actualizaré la respuesta.
Cualquier libro de química física servirá. Por ejemplo, Google Books tiene la 3ra ed. del Castellano en books.google.com/… . Vaya a la ecuación 10.47, que muestra la derivación de la energía libre de la mezcla. En un gas ideal, la energía libre de la mezcla se debe enteramente a la entropía de la mezcla, porque no hay interacciones.
@BorunChowdhury También se puede derivar mediante mecánica estadística. Vea las respuestas aquí: chemistry.stackexchange.com/questions/39524/entropy-of-mixing y chemistry.stackexchange.com/questions/61307/… . Tenga en cuenta que $x_i$ es la fracción molar del componente $i$ Entonces, en una mezcla de gases, $x_i = \frac{P_i}{P}$
Mirando el libro de Castellan (y ahora que la derivación es clara, no necesita el libro), el potencial químico correcto para el agua líquida en sí debería ser $\mu^0_{H2O(l,P_0))+ V(p_{H2O) (g)} - P^0)$, por lo que parece que falta un término en el RHS del resultado final (así como en ecuaciones anteriores).
@BorunChowdhury ¿Podría arreglar la ecuación en su comentario? Tiene un error, por lo que no se muestra correctamente. Falta a }al final del primer término, y al agregar eso se muestra, pero la ecuación no tiene sentido porque estás agregando diferentes dimensiones: una energía y un volumen.
$\mu^0_{H2O(l)}(T)+ V(P_{H_2O(g)} - P^0)$ . Estoy tratando de imitar su notación, pero puede que tenga algo mal. Básicamente, son las 10.44 en castellano 3ª ed. Proviene del hecho de que el potencial químico del agua líquida en sí misma también disminuiría cuando se reduzca la presión. Podría haber editado tu respuesta yo mismo, pero quería confirmar que estás de acuerdo con esto.
@BorunChowdhury Ah, ahora que puedo leer tu ecuación, veo que estabas escribiendo $VxP$ (que es dimensionalmente consistente con la energía), no $V(P)$ . De todos modos: aquí hemos estado asumiendo $\mu_{H2O(l)}(T,P)$ es el mismo en los Casos I y II, observando solo la diferencia en $\mu_{H2O(g)}(T,P)$ . Entonces, ¿es correcta esta suposición? Sí, porque (suponiendo que nada del gas inerte se disuelva en el agua), $\mu_{H2O(l)}(T,P)$ depende únicamente de la presión total del gas sobre el agua, no de su composición, y que es la misma en ambos casos (1 atm). [Continúa el siguiente comentario]
Además, porque $V_{(l)}<<V_{(g)}, \mu_{H2O(l)}(T,P)$ depende sólo muy débilmente de $P$ . Para una discusión más detallada de esto, vea mi ans. aquí: chemistry.stackexchange.com/questions/122727/… Esto analiza 3 efectos en $\mu_{(l)}$ de aumentar $P = P_{(l)}$ : (1) el aumento directo de $\mu_{(l)}$ de un aumento en $P$ ; (2) una disminución en $\mu_{(l)}$ si aumentas el $P$ de otros gases, b/c de un aumento en el % de esos gases disueltos en el líquido; (3) no idealidad.
De todos modos, en resumen, no edite mi respuesta, porque lo que ha escrito es incorrecto: el potencial químico del agua líquida pura (suponemos que es líquido puro, ya que suponemos que el gas "inerte" no t se disuelven en el agua) depende de la temperatura y la presión del agua líquida, y la presión del agua líquida es igual a la presión total del gas sobre el agua, no, como has escrito, de la presión parcial de vapor de agua (a menos, por supuesto, que el único gas sobre el agua sea vapor de agua, en cuyo caso la presión total sería igual a $P_{H20(g)}$ .

Bob D. · Answer 2

Si tengo un vaso de precipitados con agua pura que tiene un pistón justo encima de la superficie del agua que mantiene una presión de 1 ATM, entonces por debajo de 100 ° CI no esperaría tener vapor de agua.

La única razón por la que no tendría vapor de agua es porque no hay aire entre el pistón y la superficie del agua para que entre el vapor.

La única región de coexistencia de agua+vapor es a 100 °C. Todo esto está en el límite termodinámico, por lo que no estoy considerando fluctuaciones.

Eso no es verdad. Si lo fuera, no habría vapor de agua en la atmósfera a temperatura y presión normales. El vapor de agua en el aire es simplemente moléculas gaseosas de H ₂ O mezcladas con los componentes del aire seco (principalmente nitrógeno y oxígeno). Estás pensando que la única forma de obtener vapor de agua en el aire es hervir agua líquida. El vapor de agua también se produce por evaporación, que se produce a temperaturas por debajo del punto de ebullición.

Sin embargo, ahora considere lo siguiente. Supongamos que tengo un gas especial que no interactúa ni se disuelve en agua. Introduzco algo de este gas especial entre la superficie del agua y el pistón y todavía mantengo una presión de 1 ATM. Ahora consideremos el sistema a 50 °C.

No puedo ver ninguna diferencia entre las dos configuraciones (con y sin el gas especial) en lo que respecta al agua y, por lo tanto, a 50 ° CI no esperaría que el agua esté en forma de vapor.

De nuevo, no es cierto. La cantidad de vapor de agua en el "gas especial" puede ser diferente a una temperatura y presión dadas que la cantidad en el aire, pero aun así puede existir.

Y, sin embargo, mi instinto/experiencia me dice que hay algo de vapor en el espacio entre la superficie del agua y el pistón.

Confia en tu instinto. Si quieres saber cuánto vapor de agua hay en el aire sin hacer cálculos, puedes consultar la tabla Psicrométrica. Por ejemplo, para una temperatura de bulbo seco de 25°C y una humedad relativa del 20%, la cantidad de agua en el aire es de unos 0,002 kilogramos de H ₂ O por kilogramo de aire seco.

En cuanto a su comentario sobre la evaporación, estoy de acuerdo en que hay evaporación y pregunto exactamente cómo sucede a 50 ° C y 1 ATM y, por lo tanto, cuál es la falla en mi razonamiento.

A nivel molecular, la evaporación puede ocurrir a 50°C y 1 atmósfera porque hay una distribución de energía cinética de las moléculas de agua alrededor del valor promedio que determina la temperatura. Algunos tienen energías (velocidades) por encima del promedio, otros por debajo. Aquellos con alta velocidad en la superficie del agua pueden tener suficiente energía para escapar de las fuerzas de atracción intermolecular y entrar al aire si el aire no está saturado con vapor de agua (p. ej., 100% de humedad relativa). Simultáneamente, esas moléculas de agua en el aire con menor energía se condensan y vuelven a caer a la superficie. El proceso continúa hasta que la tasa de evaporación es igual a la tasa de condensación, que es cuando el aire se satura con vapor de agua.

Sabes que el agua hierve a menos de 100 °C a gran altura, porque la presión del aire es más baja. A 12,3 kPa el punto de ebullición del agua es de 50° C. Esa es la presión parcial del vapor de agua en el aire correspondiente a la saturación.

Entonces, ¿qué piensas del diagrama de fase del agua en el espacio TP? Por ejemplo, uno encontrado aquí researchgate.net/figure/… ? A 1 ATM, por debajo de 100 C, el sistema de agua pura está en fase líquida. Eso significa que no hay vapor . "Todavía puede existir" no es ciencia. Estoy dando un argumento de por qué no debería haber vapor. En cuanto a su comentario sobre la evaporación, estoy de acuerdo en que hay evaporación y pregunto exactamente cómo sucede a 50 C y 1 ATM y, por lo tanto, cuál es la falla en mi razonamiento.
@BorunChowdhury Siempre hay un equilibrio líquido-vapor presente a la temperatura. por debajo de la temperatura crítica del gas. Tenga en cuenta la definición de punto de ebullición, que es la temperatura a la que la presión de vapor del líquido es igual a la presión atmosférica. El vapor siempre está presente a temperaturas incluso por debajo del punto de ebullición.
@aditya_stack Eso no puede ser correcto. Si observa el diagrama de fase de TV (agregaré uno a mi pregunta), verá que a la izquierda de la mezcla de dos fases solo tiene líquido. Si lo que dice es correcto, no habría una mezcla bifásica separada y todo el lado izquierdo sería una mezcla bifásica. También tenga en cuenta que lo que está diciendo es que no importa cuánta presión externa, no puede empujar todo el vapor hacia el líquido, mientras que si coloca un pistón en un sistema de líquido + vapor, definitivamente puede empujarlo hasta el líquido. por lo tanto, asegúrese de que no quede vapor.
@BorunChowdhury ¡Creo que lo entiendo ahora! Los puntos en el diagrama de fase no representan necesariamente puntos de estado estacionario/equilibrio. Por ejemplo, y echemos un vistazo a los diagramas PT, si tenemos un líquido con (P,T) correspondiente a la región "solo líquido", y digamos que la presión es constante, entonces el líquido se evaporará hasta que su temperatura disminuya para traer a la línea de equilibrio. Los puntos en el diagrama de fase que no están en las líneas de equilibrio migrarán hacia las líneas de equilibrio.
@BorunChowdhury Por el contrario, si la temperatura se mantiene constante y tenemos (P, T) correspondiente a la región líquida, el líquido se evaporará hasta que la presión de vapor sea igual a la presión externa/atmosférica.
@BorunChowdhury: recuerde, todos los modelos (y esto incluye los diagramas de fase) son incorrectos, pero algunos son útiles. Los modelos son solo eso: no son la realidad ni las explicaciones de la realidad, sino simulaciones (modelos) de fenómenos del mundo real. Los diagramas de fase resultan ser un buen modelo para el comportamiento de grandes cantidades de material, pero lo que sucede en las superficies/límites no se explica con el diagrama de fase. Tuvimos que crear otro modelo/teoría para explicar ese fenómeno y esa es la presión de vapor (que también es tan incorrecta como los diagramas de fase pero también útil)
“... entrar en el aire si el aire no está saturado con vapor de agua...”: más precisamente, la molécula de agua energética entrará en el aire de todos modos, independientemente de la saturación. Es solo que al 100% de saturación, aproximadamente la misma cantidad de moléculas en el aire (más lento que el promedio para las moléculas de vapor) serán capturadas por la superficie del líquido, por lo que no se produce una transferencia neta de moléculas en ninguna dirección.
@slebetman Entonces, ¿eso significa que mi explicación es incorrecta?
@aditya_stack - No necesariamente. La verdad es que no leí tu explicación. Solo estaba comentando sobre la obsesión del OP de desear que la realidad se ajuste a una teoría. En cambio, vale la pena recordarnos que cuando el modelo se encuentra con la realidad, la realidad siempre gana y debemos considerar un modelo diferente para describir la realidad. La ciencia no explica, la ciencia sólo describe. Si una descripción satisface nuestra curiosidad, nuestra mente tomará esa descripción como una explicación.
@slebetman No estoy (en este momento) preocupado por la realidad. Estoy tratando de entender las predicciones del modelo. Me preocuparé por igualar la realidad después de haber entendido el modelo.
@slebetman Una declaración genérica como "todos los modelos están equivocados y algunos están más equivocados" siempre es correcta y, por lo tanto, no tiene sentido. El primer paso es comprender lo que significa un modelo antes de juzgar qué tan correcto (o qué tan equivocado) es frente a la realidad.
@aditya_stack No, los puntos en el diagrama de fase son puntos de equilibrio. El diagrama de fase que mostró (desde que se eliminó) le indica la fase del sistema, en equilibrio, para una T y p dadas.
@slebetman Los diagramas de fase son una realidad: se basan en mediciones experimentales. Estás ofuscando esto arrojando declaraciones filosóficas cliché.
@BorunChowdhury bueno, entonces... en ese modelo , no hay aire ni gas además del agua. Los escenarios en su pregunta no pueden surgir y no hay respuestas interesantes para dar.
@theorist, el diagrama de fase se eliminó accidentalmente. Lo restauré.

bob jacobsen · Answer 3

A una temperatura y presión fijas, como en esta situación, el agua tiene una presión de vapor particular. Por debajo de 100C, la presión de vapor es inferior a 1atm y nos limitaremos a ese caso.

"Presión de vapor" significa que, en equilibrio, esa será la presión parcial del vapor de agua en un gas que está en contacto con agua líquida.

Entonces, en el segundo caso, con el gas especial presente, habrá una pequeña cantidad de vapor de agua con ese gas especial. La cantidad estará determinada por la presión de vapor, que está determinada por la temperatura.

¿Qué sucede en el primer caso? La presión de vapor es menor que la presión del sistema. Por lo tanto, el agua líquida es empujada "hacia arriba" con más presión que el gas de arriba (que es todo vapor de agua por construcción) empuja "hacia abajo": el agua se elevará para encontrarse con el pistón sin espacio entre ellos.

Ver la respuesta de Chris. Básicamente estoy argumentando en la línea de su argumento y el de él y no puedo decidirme.

cris · Answer 4

cris

Los diagramas de fase a los que se refiere hacen una serie de suposiciones simplificadoras en su construcción. En particular, asumen que se trata de sustancias puras. En otras palabras, el diagrama de fase del agua es correcto solo si el pistón está lleno de agua y nada más.

Con un gas ordinario, habría cierto grado de gas disuelto en el agua y cierto grado de vapor de agua en el gas.

Con su gas especial, es fácil ver que no podría haber vapor de agua: por construcción, el gas especial siempre tiene una presión parcial de 1 atm y una presión total de 1 atm, por lo que la presión parcial del vapor de agua es cero. Dicho esto, tal gas ciertamente no existe en la naturaleza.

borun chowdhury

Eso es lo que estaba pensando, pero todo lo que asumí fue que el gas especial no se disuelve en agua. ¿Es suficiente mostrar que el vapor de agua no se evaporará y se mezclará también con el gas? Prefiero ver una prueba de esto usando energías libres que agitar la mano, pero si obtengo un buen argumento, puedo intentar hacer uno formal.

borun chowdhury

Ver la respuesta de Bob Jacobson. Básicamente estoy argumentando en la línea de su argumento y el de él y no puedo decidirme.

bob jacobsen

No existe un “gas especial” que pueda excluir otras moléculas.

cris

@BorunChowdhury Básicamente lo que dice Bob. No existe tal gas especial; cualquier gas real se mezclará con el agua hasta cierto punto, y viceversa.

borun chowdhury

Entonces, @Chris, ustedes están diciendo (y si es así, estoy de acuerdo) que aplicar una presión de 1 ATM mediante un pistón directamente y mediante el 'gas especial que no se disuelve en agua' son dos cosas diferentes. En el primer caso a 50 C y 1 ATM no habrá vapor y en el segundo sí. Bien, pero en el segundo caso, ¿ cuánta agua se convertirá en vapor? ¿Cuál es el criterio para encontrar eso? Sigo escuchando/leyendo que la presión parcial del vapor de agua será igual a la presión de vapor a 50 C. Pero, ¿ por qué es así (suponiendo que esa sea la respuesta que ibas a dar)?

borun chowdhury

@BobJacobsen, el comentario inmediatamente anterior también es para usted, pero solo puedo notificar a una persona, así que hice otro comentario para usted.

teórico

@Chris: El OP escribió: "Introduzco algo de este gas especial entre la superficie del agua y el pistón y aún mantengo una presión de 1 ATM". Como se interpretaría normalmente ese lenguaje, se refiere a la presión total, no a la presión parcial del gas especial. Por lo tanto, no es el caso de que "por construcción, el gas especial siempre tiene una presión parcial de 1 atm y una presión total de 1 atm".

Bob D. · Answer 5

Dado que su edición y el nuevo diagrama cambian significativamente la pregunta, brindo esta respuesta adicional para abordar específicamente las dos preguntas en su Edición 2.

¿Qué pasará cuando elimine la partición? ¿Algo del agua en fase líquida se convertirá en fase de vapor?

Sí lo hará. Dado que la temperatura del agua está por debajo del punto de ebullición a 1 atmósfera, se convertirá por evaporación y no por vaporización. La vaporización del agua es una transición de fase que ocurre en el punto de ebullición a 1 atm, que es 100 C. Ocurre en todo el líquido como lo demuestra la formación de burbujas dentro del líquido durante la ebullición. La evaporación, por otro lado, ocurre por debajo de la temperatura de ebullición a 1 atm. Ocurre solo en la superficie del líquido. Ya expliqué el mecanismo de evaporación a nivel molecular en mi respuesta anterior.

Si es así, ¿cómo se calcula la cantidad de agua que se convertirá en vapor?

Primero, considere cuándo cesará la evaporación.

La evaporación continuará hasta que la tasa de evaporación en la superficie del líquido sea igual a la tasa de condensación del vapor sobre la superficie, lo que ocurre cuando el líquido y el vapor están en equilibrio termodinámico. Eso, a su vez, ocurre cuando la presión de vapor del vapor de agua sobre la superficie es igual a su presión de saturación. La presión de saturación es la presión que correspondería a la presión de ebullición del agua a 50 C. De las tablas de vapor, sería una presión del vapor igual a 12.349 kPa absolutos. Esta presión sería entonces la presión parcial del H gaseoso $_2$ 0 sobre la superficie en equilibrio termodinámico.

Por si no lo sabes, la presión parcial de un componente gaseoso de una mezcla de gases es la presión que ejercería ese componente si él solo ocupara el volumen total (todos los demás gases eliminados). Según la ley de presiones parciales de Dalton, la presión total de la mezcla de gases es la suma de las presiones parciales. Entonces, en este caso, la evaporación cesará cuando la presión parcial del vapor de agua sea de 12.2349 kPa. Dado que la presión atmosférica total al nivel del mar se toma en promedio en 101,35 kPa, eso significa que la presión parcial del gas ideal sería de 89,101 kPa para totalizar 1 atm.

Ahora, calculando la masa del vapor de agua.

Conociendo la presión parcial del vapor de agua y la presión total, podemos determinar la masa del agua en estado gaseoso si conocemos la masa del gas ideal y su peso molecular.

Primero sabemos que la presión parcial de cada gas es el producto de la presión total y la fracción molar de ese gas.

La fracción molar de cada gas (H gaseoso $_2$ 0 y gas ideal) es igual a los moles del gas divididos por los moles totales de la mezcla.

Los moles de un gas individual son, a su vez, la masa del gas dividida por su peso molecular.

Poniendo todo junto, obtienes la ecuación que se muestra en el diagrama a continuación. A partir de la ecuación, conociendo la presión parcial requerida de H gaseoso $_2$ 0 en equilibrio, su peso molecular y la presión total (1 atm) puedes calcular la masa del vapor de agua si tienes la masa del gas ideal y su peso molecular.

Espero que esto ayude.

¿Por qué hay vapor sobre la superficie del agua a presión atmosférica y temperatura ambiente?

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