Почему температура остается постоянной при кипении воды?

Это связано с тем, что внешнее давление постоянно (на уровне одной атмосферы). Если вы увеличиваете давление, например, с помощью скороварки, температура повышается, или, наоборот, если вы уменьшаете давление, температура падает.

Вода кипит, когда химический потенциал воды равен химическому потенциалу пара. Если рассматривать пар как идеальный газ, то химический потенциал определяется давлением и температурой.

Если вы начнете с воды при температуре ниже 100ºC, то вода испарится, а парциальное давление водяного пара будет увеличиваться до тех пор, пока химический потенциал пара и воды не сравняется. В этот момент нет чистого испарения воды.

Однако при 100ºC парциальное давление пара, находящегося в равновесии с водой, повышается до одной атмосферы и не может быть выше. Таким образом, если вы повысите температуру выше 100ºC, вода и пар не смогут прийти в равновесие, поэтому вода будет постоянно кипеть в отчаянной, но безнадежной попытке поднять давление пара.

Вот как скороварки повышают температуру кипения. При 100ºC вода закипает, но в скороварке давление пара может подняться выше атмосферы, так что вода может оставаться в равновесии с паром при температуре выше 100ºC.

Кинетическая энергия и температура увеличиваются, но эти молекулы уже не жидкая вода; они отделяются и уходят в виде пара. Если вы измеряете температуру активно кипящей воды, на термометр влияют горячие пузырьки вокруг него, и он показывает температуру немного выше, чем температура кипения (она может быть отклонена на градус или около того, в зависимости от настройки).

Энергия увеличивается. Однако под поверхностью молекулы воды плотно упакованы. Поэтому, если они не могут образовать паровой пузырь, энергия под поверхностью немедленно передается другим молекулам. Только при образовании парового пузыря (или молекулы на поверхности) энергия не передается сразу, а молекула может уйти.

Энергия, необходимая для превращения в пар, может быть интерпретирована как энергия, необходимая для того, чтобы молекула воды покинула жидкость и не отскочила обратно от газа вокруг жидкости. Это равновесие, зависящее от среднего расстояния движения молекул без столкновения с другой молекулой или атомом и передачи этой молекуле слишком большого количества энергии, чтобы она снова стала жидкой. Молекулы означают расстояние свободного движения, однако это не что иное, как давление газа. Таким образом, с повышением давления молекулам становится чрезвычайно трудно покинуть жидкую массу воды, потому что вероятность столкновения с другой молекулой в воздухе вокруг нее становится выше, поэтому температура кипения повышается.

Когда эта молекула становится паром, она больше не является частью жидкости. Однако когда молекула покидала жидкость, она уносила с собой избыточную энергию. Избыточная энергия больше не находится в жидкости, которая остается при постоянной температуре. Однако пар не обязательно делает то же самое, в зависимости от условий другого газа вокруг жидкости.

Также причина, по которой вода кипит с пузырьками, поднимающимися со дна, в основном связана с неравномерным распределением энергии внутри жидкости. Источник тепла нагревает молекулы воды непосредственно в месте их контакта с жидкостью. Некоторые молекулы обладают настолько большей энергией, что даже под давлением воды, оказываемой на них, они превращаются в пар, находясь под поверхностью.

Однако на макроскопическом уровне температура жидкой воды в целом остается в основном постоянной, поскольку пар (имеющий более высокую энергию) выходит из жидкости, оставляя только жидкость с постоянной температурой.

Но если какие-то водородные связи между молекулами разрушаются, то почему не увеличивается кинетическая энергия именно этих молекул и, следовательно, температура?

Идея о том, что температура пропорциональна средней кинетической энергии молекул, в точности верна для классических идеальных газов и является приближением для других систем.

Фундаментальное свойство термодинамической температуры состоит в том, что когда две системы находятся в тесном контакте, будет происходить спонтанная чистая передача тепла от более теплой системы к более холодной, в то время как чистый поток тепла в противоположном направлении не является самопроизвольным. Причина этой спонтанности в том, что более холодная система получит больше энтропии от получения небольшого приращения$\delta q$тепла, чем система Warner потеряет , отдав такое же количество тепла. Этот перенос тепла будет продолжаться до тех пор, пока две системы не достигнут теплового равновесия. В этот момент их температуры равны.

Например, литр воды с температурой 50 °C считается более горячим, чем литр воды с температурой 40 °C, потому что тепло самопроизвольно перетекает от первого ко второму, а не наоборот. В конечном итоге это привело бы к тому, что обе системы остановились бы при промежуточной температуре 45 ° C.

Но когда вода кипит, промежуточного состояния между водой и паром нет. Пар, находящийся в точке кипения, самопроизвольно не передает чистое тепло воде, находящейся в точке кипения. Любое небольшое увеличение$\delta q$теплоты, передаваемой от пара к воде, просто привело бы к небольшому количеству пара.$\frac{\delta q}{\Delta H_{vap}}$превращается в воду и точно такое же количество воды превращается в пар, поэтому энтропия системы в целом не изменится.

По этой причине мы должны признать, что температура пара в точке кипения такая же, как температура воды в точке кипения, хотя средняя кинетическая энергия может быть выше в газообразном состоянии.