Недавно я читал статью, в которой говорилось, что вода превращается в пар, когда достигает точки кипения. Но это привело меня к другому вопросу. Почему вода кипит и почему вода при кипении превращается в газ?
Молекулы воды имеют силы притяжения между собой и образуют жидкое состояние.
Прежде всего начните с контейнера с водной жидкостью и вакуума над водяной жидкостью.
Этот контейнер и вода в нем поддерживаются при постоянной температуре.
Некоторые молекулы водяной жидкости будут иметь достаточную кинетическую энергию, чтобы преодолеть притяжение соседних молекул водяной жидкости и покинуть поверхность водной жидкости и стать водяным паром.
Существует чистая миграция, при которой молекулы водяной жидкости становятся молекулами водяного пара.
Со временем количество молекул водяного пара увеличивается, но некоторые из этих молекул водяного пара ударяются о поверхность воды и становятся частью водной жидкости.
В конце концов будет достаточно молекул водяного пара, и установится динамическое равновесие, при котором скорость, с которой водяная жидкость превращается в водяной пар, будет точно такой же, как скорость, с которой водяной пар превращается в водяную жидкость.
Давление водяного пара при выполнении этого условия называется давлением насыщенного пара.
Повышение температуры означает, что средняя кинетическая энергия молекул воды увеличивается, и, таким образом, увеличивается вероятность выхода водной жидкости с поверхности жидкости.
Таким образом, скорость, с которой водяная жидкость превращается в водяной пар, увеличивается.
Какое-то время происходит чистая миграция от водяной жидкости к водяному пару, пока увеличение плотности водяного пара не станет достаточным для установления нового динамического равновесия.
Давление насыщенного пара увеличивается с повышением температуры.
Таким образом, повышение температуры будет увеличивать давление насыщенного пара до тех пор, пока не наступит температура, при которой плотность пара станет такой же, как плотность жидкости.
Граница (поверхность) между жидкостью и паром исчезает, и у вас остается только одна фаза.
Эта температура называется критической температурой, и вот одно видео, показывающее этот эффект .
Водяная жидкость не существует выше ее критической температуры
Теперь рассмотрим ситуацию, когда есть вода, жидкость и воздух, вся система поддерживается при постоянной температуре и постоянном давлении.
Молекулы воды снова улетучиваются, образуя водяной пар.
Плотность молекул водяного пара в воздухе увеличивается, и в то же время увеличивается скорость возвращения молекул водяного пара.
В конце концов достигается динамическое равновесие, и давление водяного пара в воздухе становится давлением насыщенного пара.
Полное давление газа над поверхностью жидкости равно сумме давления воздуха и давления водяного пара.
Повышение температуры приведет к увеличению давления насыщенного пара, а поскольку давление поддерживается постоянным, это означает, что вклад в общее давление молекул воздуха уменьшается.
Плотность воздуха уменьшилась в пространстве над поверхностью жидкости.
Если жидкость все еще остается, наступит температура, когда давление насыщенного пара будет равно давлению, действующему на систему, или очень, очень немного больше, чем давление, оказываемое на систему, и теперь вы получите преобразование водяной жидкости в водяной пар не только при поверхности, но становится энергетически выгодным создание новой поверхности внутри объема жидкости - образуются пузырьки пара и начинается кипение.
Из жидкости уходит больше молекул воды, чем поступает в жидкость молекул водяного пара.
Так кипение происходит, когда давление насыщенного пара жидкости равно внешнему давлению.
Изменение внешнего давления изменит температуру кипения жидкости.
Разница между этими двумя сценариями заключается в том, что в первом случае система находилась в герметичном контейнере, и давление увеличивалось по мере повышения температуры, тогда как во втором случае давление поддерживалось постоянным.
Вода в виде жидкости или газа (пара) по существу представляет собой группу молекул. Даже при комнатной температуре вода, содержащаяся в стакане, испаряется. Что происходит, так это то, что некоторые молекулы воды в верхнем слое воды получают «толчок» от молекул, присутствующих в нижних слоях. И они уходят бродить в атмосфере. Но некоторые молекулы воды в воздухе также попадают под влияние воды в банке. И они потом попадают в банку. Есть равновесие. То, что уходит, входит. Когда вы повышаете температуру, количество выходящих молекул увеличивается, а количество молекул входит. При температуре кипения эта разница в скорости велика. Вот почему точка кипения меняется с давлением!
Красный Песчаный Кирпич
Дж.М.Л.Картер