Почему температура остается постоянной при температуре кипения жидкости? И что за равновесие кипит?

1) Я не понимаю, измеряется ли температура жидкости или всей системы.

У вас есть термометр в жидкости. Я не понимаю, почему он будет измерять систему (имеется в виду эксперимент со скрытой теплотой испарения, который мы все, должно быть, видели в 10-м классе или около того).

2) Не означает ли разрыв межмолекулярной связи автоматически, что частицы стали быстрее

Я могу не согласиться с вами в этом (см. конец)

Поскольку испарение имеет охлаждающий эффект, при достижении точки кипения скорость, с которой жидкость остывает из-за испарения, становится равной скорости, с которой тепло передается сосуду, таким образом сохраняя температуру жидкости постоянной.

Теперь см. Испарение — это фазовый переход жидкости в пар, а кипение — фазовый переход жидкости в газ. Более того. Испарение может происходить, когда парциальное давление пара вещества меньше равновесного давления пара, при этом кипение, в отличие от испарения, происходит ниже поверхности. Кипение происходит, когда равновесное давление паров вещества больше или равно давлению окружающей среды. Я не вижу, как вы их соотносите

Если при фазовом переходе в вещество поступает тепло, то эта энергия расходуется на разрыв связей между молекулами вещества. Пример, который мы будем использовать здесь, — таяние льда в воду. Сразу после разрыва молекулярных связей во льду молекулы движутся (вибрируют) с той же средней скоростью, что и раньше, поэтому их средняя кинетическая энергия остается такой же, и, следовательно, их температура по Кельвину остается той же.

Примечание. Приведенное выше объяснение заимствовано из этой ссылки .

Я думаю, что описание в вашем первом абзаце вполне разумно, но я попытаюсь дать немного более техническое объяснение.

Если вы держите вещество при температуре$T$, фаза, которую он принимает, определяется компромиссом между энергией$E$, которую он пытается минимизировать, и энтропия $S$, которую он пытается максимизировать. Фактической фазой при данной температуре является та, в которой свободная энергия минимальна. $F = E - TS$.

Энтропия является мерой беспорядка в системе и высока в газовой фазе, где молекулы в основном движутся свободно и независимо друг от друга, и ниже в жидкости, где плотность высока и молекулы имеют меньше свободы для движения. двигаться. Но энергия также выше в газовой фазе, где молекулы имеют большую кинетическую энергию и примерно нулевую потенциальную энергию, чем в жидкой фазе, где они имеют меньшую кинетическую энергию и отрицательную потенциальную энергию (из-за притягивающих взаимодействий между молекулами, «межмолекулярные связи»).

На высоте$T$, лучший способ минимизировать$F$состоит в том, чтобы вещество образовывало газ и, следовательно, максимизировало$S$. В нижней$T$, он сводит к минимуму$F$образуя жидкость, которая уменьшает$E$. (При еще более низкой температуре он образует твердое тело с еще меньшей энергией и энтропией.) При некоторой промежуточной температуре, которую мы называем точкой кипения$T_b$, два эффекта уравновешиваются: энергия ниже на$\Delta E$в жидкой фазе, а энтропия выше на$\Delta S$в газе; если$\Delta E = T_b \Delta S$тогда две фазы имеют одинаковую свободную энергию, и между ними нечего выбирать. ($\Delta E$называется скрытой теплотой .) При этой температуре две фазы находятся в равновесии.

Итак, представьте, что вы начинаете с жидкости при$T < T_b$и подогрев его. Когда вы вкладываете энергию, молекулы начинают двигаться немного быстрее и отдаляться друг от друга, увеличивая как свою кинетическую, так и потенциальную энергию. Но вещество остается жидким, пока вы остаетесь внизу.$T_b$. Один раз$T$достигает точки кипения, дополнительная энергия идет на преобразование жидкости в газ, что требует затрат энергии$\Delta E$вместо повышения температуры. Тогда и жидкость, и газ имеют одинаковую температуру (как и должно быть, чтобы быть в равновесии), но молекулы в газовой фазе обладают большей энергией. Наконец, когда все вещество превратилось в газ, лишняя энергия снова идет на повышение температуры.