Si se introduce agua en un recipiente mantenido a 20 °C en condiciones de vacío, aparecerá una fase gaseosa y la presión se estabilizará a la presión de vapor para la temperatura dada dentro del recipiente. Hasta ahora, todo bien.
Ahora imagine que el experimento se repite pero en lugar de condiciones de vacío, el agua se presuriza con nitrógeno a 1 atm. Según el diagrama de fase del agua, el líquido es la forma estable del agua en estas condiciones. Sin embargo, comúnmente se observa que las moléculas de agua con la energía cinética más alta escaparán y formarán una fase gaseosa. La presión parcial del agua gaseosa será igual a la presión de saturación a esta temperatura.
¿Por qué decimos que este es un equilibrio líquido/vapor en este caso, ya que la fase líquida no está a la presión requerida para que aparezca este equilibrio?
Editar: me acabo de dar cuenta de que mi pregunta parece ser respondida por la ley de Raoult.
En la superficie de un líquido, las moléculas se expulsan constantemente de la superficie del líquido y las moléculas de gas se reincorporan a ella. Cuando esas dos tasas son iguales, no hay cambio neto y el sistema está en equilibrio.
La velocidad a la que el agua líquida expulsará una molécula es aproximadamente independiente de la presión y se basa únicamente en la temperatura. La temperatura determina cuánta energía cinética tienen las moléculas, mientras que la presión solo determina qué tan apretadas están y ya están muy apretadas, por lo que la densidad no cambia mucho. Siempre hay moléculas de agua justo en la superficie debido a esta alta densidad.
La velocidad a la que las moléculas de agua gaseosa se reincorporan al agua depende de la frecuencia con la que una golpea la superficie, que depende de la densidad. Por la ley de los gases ideales, la densidad está relacionada con la presión y la temperatura, por lo que si ya hemos configurado la temperatura, solo depende de la presión. Por lo tanto, cuanto mayor es la presión, mayor es la densidad, más moléculas de agua gaseosa hay para golpear la superficie y unirse a ella.
Localmente, la densidad y la presión de las moléculas de agua gaseosa aumentarán hasta que la tasa de reincorporación sea igual a la tasa de evaporación.
Otros gases pueden sentirse libres para bombardear la superficie del agua, comprimiéndola un poco y aumentando la presión significativamente. Sin embargo, esto no aumenta la velocidad a la que escapan las moléculas de agua, por lo que el vapor aún se equilibrará a la misma presión parcial.
Aquí es donde entra en juego la ley de Raoult. En la superficie del líquido ahora hay dos especies de moléculas, pero la velocidad a la que se expulsan las moléculas sigue siendo la misma. Ahora esas expulsiones deben dividirse entre especies, y de acuerdo con la ley de Raoult, se basa en la concentración. Si el 30 % de las moléculas del líquido son agua, entonces el 30 % de las expulsiones serán agua, por lo que la tasa de expulsiones se reduce al 30 %. Entonces, en equilibrio, la tasa de reincorporación también debe ser del 30%, por lo que debe haber un 30% de colisiones, por lo tanto, un 30% de densidad y, por lo tanto, un 30% de presión de vapor.
Examinar el gas directamente sobre la superficie mostraría una presión parcial de agua que se acerca muy rápidamente a la presión de vapor del agua para esa temperatura. Estas moléculas de agua luego se difundirían a través del nitrógeno, lo que reduciría lentamente la presión parcial local si no se repone por evaporación adicional desde la superficie. Esta evaporación requiere energía para superar el calor latente y, como tal, reducirá la temperatura local del agua. El agua es un conductor de calor mucho mejor que el aire, por lo que este calor se extrae del agua.
En algunos procesos de evaporación domina la difusión lenta del gas, en otros la temperatura desciende hasta dominar el proceso de difusión. Esta es la razón por la que el nitrógeno líquido se enfría tanto y se mantiene, y por la que las temperaturas de bulbo húmedo son más bajas que las temperaturas de bulbo seco.
Si desea obtener más información sobre la solución de estado estacionario, le recomendaría leer sobre humedad relativa/absoluta, condensación, etc.
Si desea obtener más información sobre el efecto de limitación de velocidad, consulte la difusión de gas .
Si desea obtener más información sobre el proceso de condensación por evaporación, sería útil aprender sobre termodinámica estadística.
Cuando dice "no a la presión requerida para que aparezca este equilibrio", hace esta declaración en comparación con el diagrama de fase del agua. Sin embargo, el diagrama de fase del agua le indica el comportamiento del agua a granel, y su sistema, incluido el nitrógeno, no es agua a granel, es agua a granel más nitrógeno. Por lo tanto, la comparación de la presión total de este sistema compuesto con el diagrama de fase general del agua no es válida.
Almiar