¿Por qué la temperatura permanece constante cuando el agua está hirviendo?

Esto se debe a que la presión externa es constante (a una atmósfera). Si aumenta la presión, por ejemplo, utilizando una olla a presión, la temperatura sube, o si reduce la presión, la temperatura baja.

El agua hierve cuando el potencial químico del agua es el mismo que el potencial químico del vapor. Si consideramos al vapor como un gas ideal, entonces el potencial químico está controlado por la presión y la temperatura.

Si comienzas con solo agua por debajo de los 100ºC, el agua se evapora y la presión parcial del vapor de agua aumenta hasta que el potencial químico del vapor y el agua coinciden. En ese punto no hay evaporación neta del agua.

Sin embargo a 100ºC la presión parcial del vapor en equilibrio con el agua sube a una atmósfera y no puede subir más. Entonces, si eleva la temperatura por encima de los 100ºC, el agua y el vapor no pueden estar en equilibrio, por lo que el agua hierve continuamente en un intento desesperado pero inútil de aumentar la presión del vapor.

Así es como las ollas a presión elevan el punto de ebullición. A 100ºC el agua hierve, pero en una olla a presión puede subir la presión del vapor por encima de una atmósfera para que el agua se mantenga en equilibrio con el vapor por encima de los 100ºC.

La energía cinética y la temperatura aumentan, pero estas moléculas ya no son agua líquida; se desprenden y salen como vapor. Si mide la temperatura del agua hirviendo activamente, el termómetro se ve afectado por las burbujas calientes a su alrededor y muestra una temperatura ligeramente más alta que la temperatura de ebullición (puede tener un error de un grado más o menos, dependiendo de la configuración).

La energía se incrementa. Sin embargo, debajo de la superficie, las moléculas de agua están densamente empaquetadas. Entonces, a menos que puedan formar una burbuja de vapor, la energía debajo de la superficie se transmite inmediatamente a otras moléculas. Solo cuando se forma una burbuja de vapor (o la molécula está en la superficie), la energía no se transfiere inmediatamente, pero la molécula puede escapar.

La energía necesaria para convertirse en vapor se puede interpretar como la energía necesaria para que la molécula de agua abandone el líquido y no sea rebotada por el gas que lo rodea. Es un equilibrio que depende de la distancia media de movimiento de las moléculas sin chocar con otra molécula o átomo y transfiriendo demasiada energía a esa molécula para que se vuelva líquida nuevamente. Las moléculas significan que la distancia de libre movimiento, sin embargo, no es más que la presión del gas. Entonces, con el aumento de la presión, se vuelve extremadamente difícil para las moléculas abandonar el cuerpo líquido de agua porque la posibilidad de golpear otra molécula en el aire a su alrededor es cada vez mayor, por lo que aumenta la temperatura de ebullición.

Cuando esa molécula se convierte en vapor, ya no forma parte del líquido. Sin embargo, cuando la molécula abandonó el líquido, se llevó consigo el exceso de energía. El exceso de energía ya no está en el líquido que permanece a una temperatura constante. Sin embargo, el vapor no necesariamente hace lo mismo, dependiendo de las condiciones del otro gas alrededor del líquido.

Además, la razón por la que el agua hierve con burbujas que se elevan desde el fondo se debe principalmente a la distribución desigual de la energía dentro del líquido. La fuente de calor calienta las moléculas de agua directamente donde tiene contacto con el líquido. Algunas moléculas tienen tanta más energía que incluso con la presión que ejerce el agua sobre ellas, se convierten en vapor mientras están debajo de la superficie.

Sin embargo, a nivel macroscópico, la temperatura del agua líquida en su conjunto se mantiene casi constante, ya que el vapor (que tiene la energía más alta) escapa del líquido y deja solo el líquido a temperatura constante.

Pero si se destruyen algunos enlaces de hidrógeno entre las moléculas, ¿por qué no aumenta la energía cinética de estas moléculas en particular y, en consecuencia, la temperatura?

La idea de que la temperatura es proporcional a la energía cinética promedio de las moléculas es exactamente cierta para los gases ideales clásicos y una aproximación para otros sistemas.

La propiedad fundamental de la temperatura termodinámica es que cuando dos sistemas se ponen en contacto íntimo, habrá una transferencia neta espontánea de calor del sistema más cálido al más frío, mientras que el flujo neto de calor en la dirección opuesta no es espontáneo. La razón de esta espontaneidad es que el sistema más frío ganará más entropía al recibir un pequeño incremento$\delta q$de calor que el sistema Warner perderá al ceder la misma cantidad de calor. Esta transferencia de calor continuará hasta que los dos sistemas alcancen el equilibrio térmico. En ese punto, sus temperaturas son las mismas.

Por ejemplo, se considera que un litro de agua a 50 °C está más caliente que un litro de agua a 40 °C porque el calor fluiría espontáneamente del primero al segundo y no al revés. Esto eventualmente daría como resultado que ambos sistemas se establecieran a la temperatura intermedia de 45 °C.

Pero cuando el agua está hirviendo, no hay estado entre el agua y el vapor. El vapor que está justo en el punto de ebullición no transfiere espontáneamente calor neto al agua que está justo en el punto de ebullición. Cualquier pequeño incremento$\delta q$de calor transferido del vapor al agua simplemente daría como resultado una pequeña cantidad de vapor$\frac{\delta q}{\Delta H_{vap}}$convirtiéndose en agua y exactamente la misma cantidad de agua convirtiéndose en vapor, por lo que la entropía del sistema en su conjunto no cambiaría.

Por esta razón, debemos admitir que la temperatura del vapor en el punto de ebullición es la misma que la temperatura del agua en el punto de ebullición, aunque la energía cinética media puede ser mayor en estado gaseoso.