La ebullición se puede superar fácilmente con unos pocos diagramas rudimentarios y un par de ecuaciones, pero busco una explicación más profunda.
La definición de ebullición es que la presión de vapor en el líquido es igual a la presión de vapor del aire. Esto parece razonable en recipientes abiertos porque cuando la presión supera 1 atm, se pueden formar burbujas. Sin embargo, considere un contenedor cerrado a, digamos, 40 grados centígrados. Esto es demasiado frío para hervir, pero la presión de vapor del líquido debe ser igual a la presión ejercida por el vapor (el sistema se moverá hasta que se alcance este equilibrio). ¿Por qué no hierve esta agua? Las presiones son las mismas, por lo que se pueden formar burbujas y puede ocurrir la ebullición.
Mi malentendido fundamental de la ebullición a nivel molecular conduce a más preguntas relacionadas:
Cuando se agrega calor, ¿por qué sube la temperatura hasta el punto de ebullición y luego toda la energía se destina a romper los enlaces? En el agua de fusión, la presión de vapor del agua y el sólido son iguales, por lo que ambos pueden coexistir. Si este es el caso, ¿no es esto técnicamente el punto triple? porque el agua, el sólido y el vapor están presentes? (Esto no puede ser, por supuesto, porque el punto de fusión no es igual al punto triple).
La ebullición ocurrirá cuando la presión de vapor de equilibrio a la temperatura del líquido sea igual a la presión total del sistema y se proporcione calor (ya sea externamente o por el calor sensible del propio líquido). La fase gaseosa en contacto con el líquido puede estar compuesta de vapor puro (en cuyo caso la presión total es esencialmente igual a la presión de vapor de equilibrio), o puede estar compuesta de una mezcla de vapor y aire (en cuyo caso la presión total presión esencialmente igual a la suma de la presión de vapor de equilibrio de la sustancia en ebullición más la presión parcial del aire).
A 40 C, todavía es posible que el agua hierva en un recipiente si el gas se evacua a una presión por debajo de la presión de vapor de equilibrio a 40 C (una situación de no equilibrio). La ebullición puede continuar hasta que la presión total en el espacio libre se eleve a un valor igual a la presión de vapor de equilibrio. Mientras la presión parcial de la sustancia en el vapor y la presión total (si hay aire presente) sea menor que la presión de equilibrio del vapor del agua a la temperatura del líquido, la ebullición continuará. El calor de vaporización puede ser suministrado por el propio líquido, por lo que la temperatura del agua descenderá (suponiendo que no se suministre calor directamente). Una vez que la presión de vapor de equilibrio a la temperatura del líquido cae por debajo de la presión total, la ebullición se detiene.
Con respecto a la pregunta sobre el punto de fusión y el punto triple, el punto de fusión está muy cerca del punto triple. En el punto triple, el agua pura está presente en las tres fases (no hay aire presente en la fase gaseosa) y la presión total es igual a la presión de vapor de equilibrio del líquido y el sólido. En el punto de fusión, el aire está presente en la fase gaseosa a 1 atm y, por lo tanto, la presión total del sistema es esencialmente de 1 atm. La diferencia entre el punto de fusión y el punto triple es de solo 0,01 C.
Creo que la pregunta es realmente pertinente. Si calientas el líquido sin ninguna impureza y en un matraz de paredes muy lisas, lo mantienes a una presión más alta hasta que la temperatura esté justo por debajo del punto de ebullición a esa presión y lentamente comienzas a reducir la presión, encontrarás que el agua no está comenzó a hervir, este estado se conoce como estado sobrecalentado. Si dejas caer una partícula muy pequeña en esa agua sobrecalentada, encontrarás un rastro de burbujas detrás de esa partícula.
Este experimento en realidad da una comprensión más profunda de la ebullición. En el punto de ebullición, aunque la presión de vapor dentro del líquido es igual a la del entorno, el acto de hervir proviene de ciertas inestabilidades presentes en el líquido en forma de impurezas, puntos calientes de temperatura, etc. Esta inestabilidad crea una pequeña burbuja en el fondo que sube y crece en tamaño y verás burbujas al azar saliendo del agua.
En lo que respecta a la segunda parte de su pregunta, @chester miller ha dado una descripción correcta de eso. Me gustaría agregar que debe proporcionar suficiente calor para mantener el agua a una temperatura constante y seguir bombeando el sistema para mantenerlo en el punto de ebullición; de lo contrario, el agua pronto se convertirá en hielo (lo he visto experimentalmente).
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