¿Todos los líquidos hierven en el vacío?

Tomo tu pregunta como

¿Existe alguna sustancia con fase de equilibrio condensada (sólida o líquida) a presión cero?

No, debido a la física estadística.

Consideremos dos cosas. (1) La energía potencial de interacción entre moléculas. (2) La distribución de energía térmica para las moléculas.

La energía potencial de interacción generalmente puede ser de cualquier forma, con atracción, repulsión, extremos, pero siempre es$0$a la distancia infinita$r\to\infty$, lo que significa que dos moléculas se liberan cuando están lo suficientemente lejos. Cualquier estado ligado tiene energía por debajo de$0$, y cualquier estado con energía por encima de$0$está libre, de modo que las moléculas se alejan incluso si estuvieron cerca en algún instante.

La distribución de energía térmica en equilibrio siempre tiene una especie de "cola" en altas energías, en forma de$\exp(-E/k_B T)$. Es la característica común de las distribuciones de Fermi-Dirac, Bose-Einstein y Maxwell-Boltzmann, mientras que todas las diferencias radican en las bajas energías. Dicho esto, no hay límite de energía por encima del cual la probabilidad de que una molécula sea$0$.

Estos dos hechos juntos dicen que cualquier fase condensada a presión cero y$T>0$perdería moléculas, nunca alcanzando el equilibrio. Aunque la velocidad de este proceso podría ser extremadamente lenta y experimentalmente irrelevante.

¿Qué hace que una fase condensada sea estable a una presión distinta de cero? Entonces siempre hay algunas moléculas externas entrantes que compensan la pérdida por moléculas evaporadas.

Vale la pena mencionar otros dos casos. Primero están los átomos y los núcleos atómicos , ¿no son estables? El mismo razonamiento se aplica a ellos, pero su energía de enlace es bastante alta y, por lo tanto, la probabilidad de evaporar incluso una partícula a temperatura ambiente es extremadamente baja (el exponente es una función que disminuye muy rápidamente). Aunque a temperaturas más altas alcanzan el equilibrio en plasma y plasma nucleónico respectivamente. Estos plasmas se pueden hacer a baja presión arbitraria, entonces no habría átomos ni núcleos.

El segundo caso son los quarks en el nucleón . Aquí la energía de interacción no se desvanece en el infinito , por lo que los nucleones son verdaderos sistemas ligados (a temperatura finita). Aunque eso no es independiente de la temperatura: a una temperatura muy alta existe un mar de gluones libres y pares de quarks-antiquarks, y la energía de interacción cambia, volviéndose no vinculante en el infinito, como sucede en el plasma de quarks-gluones.

El punto de ebullición de los líquidos depende de la temperatura y la presión. Si aumenta la presión del medio que presenta el líquido, aumenta también el punto de ebullición del líquido. Dado que el vacío perfecto no tiene presión, todos los líquidos hierven en un vacío perfecto. Sin embargo, no existe el vacío perfecto. Si pregunta si todos los líquidos hierven en el espacio, la respuesta es no. Si no hay suficiente calor, algunos líquidos no hervirán en el espacio. Además, si se conoce el calor de vaporización y la presión de vapor de un líquido a cierta temperatura, el punto de ebullición se puede calcular utilizando la ecuación de Clausius-Clapeyron así:

$T_B = \Bigg(\frac{1}{T_0}-\frac{\,R\,\ln(\frac{P}{P_0})}{\Delta H_{vap}}\Bigg)^{-1}$

dónde:
$T_B$= el punto de ebullición a la presión de interés (en K)

$R$= la constante de los gases ideales, 8,314 J · K−1 · mol−1

$P$= es la presión de vapor del líquido a la presión de interés, ya sea atm o kPa dependiendo de la presión estándar utilizada

$P_0$= es cierta presión donde se conoce el T_0 correspondiente (generalmente datos disponibles a 1atm o 100kPa)

$\Delta H_{vap}$= el calor de vaporización del líquido, J · mol−1 en P_0

$T_0$= la temperatura de ebullición, en K

$\ln$= el logaritmo natural

Puede calcular el punto de ebullición del líquido con esto y luego debe convertirlo en calor ya que el vacío no tiene moléculas (por lo tanto, temperatura). Si el calor que se presenta en el vacío es mayor que el calor que ha calculado, puede decir que el líquido hierve en ese medio.