Все ли жидкости кипят в вакууме?

Я воспринимаю ваш вопрос как

Существует ли вещество с конденсированной (твердой или жидкой) равновесной фазой при нулевом давлении?

Нет, из-за статистической физики.

Давайте рассмотрим две вещи. (1) Потенциальная энергия взаимодействия между молекулами. (2) Распределение тепловой энергии для молекул.

Потенциальная энергия взаимодействия вообще может быть любой формы, с притяжением, отталкиванием, экстремумами, но она всегда$0$на бесконечном расстоянии$r\to\infty$, что означает, что две молекулы становятся свободными, когда они находятся достаточно далеко. Тогда любое связанное состояние имеет энергию ниже$0$, и любое состояние с энергией выше$0$несвязана, так что молекулы удаляются, даже если в какой-то момент они были близки.

Распределение тепловой энергии при равновесии всегда имеет какой-то «хвост» в области высоких энергий в виде$\exp(-E/k_B T)$. Это общая черта распределений Ферми-Дирака, Бозе-Эйнштейна и Максвелла-Больцмана, тогда как все различия заключаются в низких энергиях. Тем не менее, нет предела энергии, выше которого вероятность для молекулы была бы$0$.

Эти два факта вместе говорят о том, что любая конденсированная фаза при нулевом давлении и$T>0$потерял бы молекулы, никогда не достигнув равновесия. Хотя скорость этого процесса может быть чрезвычайно низкой и экспериментально нерелевантной.

Что делает конденсированную фазу стабильной при каком-то ненулевом давлении? Тогда всегда будут поступать какие-то внешние молекулы, которые компенсируют потерю испаряющимися молекулами.

Стоит упомянуть еще два случая. Во- первых, это атомы и атомные ядра , разве они не стабильны? К ним применимы те же рассуждения, но их энергия связи довольно высока, и поэтому вероятность испарения хотя бы одной частицы при комнатной температуре крайне мала (показатель степени — очень быстро убывающая функция). Хотя при более высоких температурах они достигают равновесия в плазме и нуклонной плазме соответственно. Эту плазму можно сделать при сколь угодно низком давлении, тогда не было бы ни атомов, ни ядер.

Второй случай — кварки в нуклоне . При этом энергия взаимодействия не обращается в нуль на бесконечности , поэтому нуклоны являются настоящими связанными системами (при конечной температуре). Хотя это не зависит от температуры: при какой-то очень высокой температуре существует море свободных глюонов и кварк-антикварковых пар, и энергия взаимодействия меняется, становясь несвязующей на бесконечности, как это происходит в кварк-глюонной плазме.

Температура кипения жидкостей зависит от температуры и давления. Если давление среды, которую представляет жидкость, увеличивается, температура кипения жидкости также увеличивается. Поскольку в идеальном вакууме нет давления, все жидкости кипят в идеальном вакууме. Однако идеального вакуума не существует. Если вы спрашиваете, все ли жидкости кипят в космосе, ответ — нет. Если тепла недостаточно, то некоторые жидкости не будут кипеть в космосе. Кроме того, если известны теплота парообразования и давление пара жидкости при определенной температуре, температуру кипения можно рассчитать с помощью уравнения Клаузиуса – Клапейрона следующим образом:

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

где:
$T_B$= температура кипения при интересующем давлении (в K)

$R$= постоянная идеального газа, 8,314 Дж · К-1 · моль-1

$P$= давление паров жидкости при интересующем давлении, атм или кПа, в зависимости от используемого стандартного давления.

$P_0$= некоторое давление, при котором известно соответствующее значение T_0 (обычно данные доступны при 1 атм или 100 кПа)

$\Delta H_{vap}$= теплота парообразования жидкости, Дж · моль−1 при P_0

$T_0$= температура кипения, К

$\ln$= натуральный логарифм

Вы можете рассчитать температуру кипения жидкости, а затем преобразовать ее в тепло, поскольку в вакууме нет молекул (таким образом, температура). Если тепло, присутствующее в вакууме, больше, чем тепло, которое вы рассчитали, то вы можете сказать, что жидкость кипит в этой среде.