Нарушает ли испарение второй закон?

Предположим, я оставлю стакан с водой на столе в STP. Можно предположить, что молекулы воды на поверхности воды подчиняются распределению Максвелла-Больцмана (по крайней мере, они подчиняются распределению скоростей, сравнимому с распределением МБ). Только самые энергичные молекулы вблизи поверхности жидкости обладают достаточной кинетической энергией, чтобы преодолеть силы притяжения между молекулами, присутствующими в жидкости. Когда эти высокоэнергетические молекулы покидают жидкость (т. е. испаряются), средняя кинетическая энергия молекул в жидкости уменьшается. Температура воды есть не что иное, как мера средней кинетической энергии молекул в этой воде, и, следовательно, температура воды снижается. Это эффективный механизм потоотделения.

Но теперь, если бы только самые энергичные молекулы смогли избежать межмолекулярных сил и превратиться в водяной пар, не означает ли это, что водяной пар над поверхностью теперь имеет более высокую температуру, чем температура воды под ней, поскольку пар состоит только из самых энергичных молекул, а оставшаяся жидкость содержит только наименее энергичные молекулы? Если это так, то, конечно, это пример потока энергии от холодного стока к горячему? Я понимаю, что это невозможно, и поэтому мое мышление определенно неверно, хотя я не могу интуитивно понять, почему я не прав. Все, что я могу сделать, это просто сформулировать второй закон и сказать себе, что я не прав. Но это не способ понять, поэтому, если кто-нибудь может помочь мне в этом вопросе, я был бы очень признателен!

почему вы говорите, что энергия перетекала от более низкой температуры к более высокой? Температура окружающей среды увеличилась после того, как молекулы испарились . Если бы не происходило испарение, температура не повышалась бы. А после испарения температура стекла уменьшалась, а окружающей среды повышалась.

Ответы (2)

Но теперь, если бы только самые энергичные молекулы смогли избежать межмолекулярных сил и превратиться в водяной пар, не означает ли это, что водяной пар над поверхностью теперь имеет более высокую температуру, чем температура воды под ней, поскольку пар состоит только из самых энергичных молекул, а оставшаяся жидкость содержит только наименее энергичные молекулы? [курсив добавлен]

Нет. Некоторая энергия ушла на разрыв межмолекулярных связей жидкости для получения газообразного состояния. В равновесии температуры, давления и химические потенциалы (имеется в виду парциальные давления) жидкости и пара идентичны. На самом деле это отличный пример действия второго закона: градиенты интенсивных переменных (температура, давление, химический потенциал) устраняются за счет смещения и обмена соответствующими экстенсивными переменными (энтропия, объем, материя).

Обратите внимание, что эта равновесная температура (жидкости и газа) будет ниже исходной температуры жидкости. Причина в том, что молекулы в жидкости были до некоторой степени связаны друг с другом, а это означало, что они находились в низкоэнергетическом состоянии по сравнению с газом. При испарении для разрыва этих связей требовалась энергия, и — при условии простой изолированной системы — эта энергия могла исходить только от тепловой энергии вещества. Так что да, вы можете предположить, что жидкость при температуре 25 °C теперь представляет собой смесь жидкости и газа при температуре 24,8 °C.

Спасибо за ответ! Хорошо, это имеет разумный смысл для меня. Справедливо ли рассматривать те молекулы, которые обладают достаточной энергией, чтобы вырваться, как частицы на дне потенциальной ямы (в равновесном положении ямы), которые обладают кинетической энергией, превышающей предел потенциальной энергии как р -> ∞ и, следовательно , когда они достигают бесконечности, у них все еще остается некоторая кинетическая энергия, но значительно меньше, чем до того, как они вырвались из колодца? Кроме того, мне ясно, что температура воды должна уменьшаться, когда происходит испарение. означает ли это, что пар также находится при такой пониженной температуре?
(1/n) Правильно ли я думаю, что испаряемые молекулы должны иметь ту же температуру, что и жидкость, из которой они испаряются? Скажем, у нас есть вода в вакууме при температуре 25°С. Самые энергичные молекулы будут испаряться, расходуя часть своей кинетической энергии в пользу большей потенциальной энергии. Таким образом, жидкость охлаждается, скажем, до 24,9 ° C (поскольку ее молекулы теряют энергию), но пар также имеет ту же температуру, поскольку он израсходовал кинетическую энергию для получения потенциальной энергии и разделения на газ. Молекулы продолжают испаряться, но им приходится преодолевать большую потенциальную энергию и, следовательно, они...
(2/n) более низкая кинетическая энергия, когда они успешно уходят в газовую форму. Таким образом, вода теперь будет иметь температуру, скажем, 24,8°C (поскольку она охлаждается из-за выхода более энергичных молекул), но температура пара теперь также будет иметь температуру 24,8°C, потому что недавно выкипевшие молекулы должны были преодолеть более высокий потенциал и, следовательно, иметь более низкую температуру. кинетической энергии, чем те, которые выкипели первыми, когда температура воды была еще 25°С? Надеюсь, это все имеет смысл
Я отредактировал свой ответ, чтобы обсудить изменение температуры.

Здесь нет нарушения второго закона — вы пренебрегаете тем, что стакан воды — это открытая система .

Другими словами, он взаимодействует с окружающей средой не только посредством «теплообмена», но и посредством массообмена .

Таким образом, в то время как тепло передается от «более холодной / жидкой» фазы к «более горячей / паровой» фазе, энтропия, потерянная жидкой водой, более чем компенсируется энтропией, полученной окружающей средой от вклада молекул воды с более высокой энергией . который испарился в нем (вдали от жидкой фазы). Таким образом, в конечном итоге происходит чистое увеличение «полной энтропии» Вселенной, что полностью соответствует второму закону.

Добро пожаловать! В будущем, пожалуйста, предпочтите отредактировать сообщение, а не удалять и публиковать повторно.
Спасибо!. Ладно, кажется, я начинаю понимать. Просто для ясности, правильно ли я рассуждаю следующим образом: предположим, теперь у нас есть адиабатический изолированный цилиндр, содержащий некоторое количество жидкой воды при, скажем, 25°С. Над поверхностью воды внутри цилиндра у нас чистый вакуум. Энергичные молекулы в воде покидают жидкую форму, снижая температуру жидкости, но увеличивая давление пара, ощущаемое водой. Это будет происходить до тех пор, пока не будет достигнуто давление насыщения. Вода остыла, но газовая фаза имеет большую потенциальную энергию и, следовательно, нет результирующего изменения внутренней энергии?
@ManRow (1/n) Хорошо, у вас был я до тех пор, пока «В любом случае ваши молекулы водяного пара будут иметь большую кинетическую энергию, чем молекулы в жидкой фазе». Я думаю, что энергетические молекулы, которые убегают, имеют общую энергию, превышающую их потенциальную энергию, прежде чем они убегают, и как только они убегают, они имеют максимальную потенциальную энергию, но уменьшенную кинетическую энергию, поэтому общая энергия постоянна. Вода будет холоднее, потому что она потеряла свои энергетические молекулы (средняя кинетическая энергия уменьшилась), но ускользнувшие молекулы также будут холоднее, потому что они потратили энергию на выход из потенциальной ямы.
@SalahTheGoat Да - система (то есть, если быть точным, только молекулы воды) не выполняет никакой работы ( Вт "=" 0 ) расширяется против вакуума. А так как контейнер еще и адиабатический ( Вопрос "=" 0 ), то по первому закону следует, что Δ U "=" Вопрос − Вт "=" 0 поэтому нет чистого изменения внутренней энергии системы (в целом). Теперь, если бы это был идеальный газ, это было бы просто необратимое изотермическое расширение, порождающее Δ С "=" н р п ⁡ ( В ф / В я ) энтропии.
Но для реального газа, такого как водяной пар, это расширение снизит температуру системы, если оно будет ниже температуры инверсии , что указывает на то, что вместо этого часть кинетической энергии должна быть преобразована в потенциальную энергию. В любом случае, ваши молекулы водяного пара будут иметь большую кинетическую энергию, чем молекулы в жидкой фазе, но общая внутренняя энергия вашей системы останется неизменной (из-за сохранения энергии).
@ManRow (2/n) Если средняя энергия K вновь испаренных молекул будет больше, чем у воды, тогда пар будет горячее воды и нагреет ее (чего не происходит). Таким образом, вновь испаренный пар должен быть равен температуре воды, из которой он испаряется, или, возможно, иметь более низкую температуру. Я думаю, что она должна быть равной, потому что для начала вода имеет температуру 25°С. Молекулы улетучиваются, тем самым снижая температуру воды до 24,9°C. Все больше молекул продолжают ускользать, но эти молекулы имеют более низкий K, когда убегают, чем первые несколько, потому что они должны преодолевать больший потенциал E.
@SalahTheGoat Во-первых, идеальные газы (т. е. молекулы газовой фазы!) Не расходуют энергию , расширяясь против вакуума. На самом деле это просто свободное расширение (т. е. необратимый процесс, порождающий энтропию). Энергия молекулы газовой фазы не изменяется, если она не передает энергию своему окружению (не применяется в вашем случае, поскольку контейнер адиабатический, поэтому нет теплопередачи с окружающей средой/окружающей средой), или она выполняет какую-то работу против внешнее давление (но в вакууме нет давления, поэтому работа тоже не совершается).
Во-вторых, при «фазовом переходе» между жидкой водой и паром следует помнить, что при равновесии (т. е. при достижении давления насыщенного пара) «молекула пара» передает некоторое количество тепла дельта Вопрос в «молекулу жидкости» просто преобразует молекулу пара (донор энергии) в жидкую молекулу, а молекулу жидкости (получатель энергии) в паровую, поэтому любой «тепловой поток», который вы могли бы иметь в равновесии, на самом деле ничего не меняет . вообще .
Так что да, вы можете совершенно точно сказать, что «молекулы пара нагревают жидкие» или, что то же самое, существует «тепловой поток» от пара к жидкости — как «динамическое равновесие» — за исключением того, что, конечно, в конце концов, в конечном итоге у нас вообще не будет «чистых» изменений в системе (так что «на самом деле ничего не изменится»)!
Нарушает ли испарение второй закон?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v