Если в сосуд, поддерживаемый в условиях вакуума при температуре 20 °С, ввести воду, то появится газообразная фаза, и давление стабилизируется на уровне давления пара при данной температуре внутри сосуда. Все идет нормально.
Теперь представьте, что эксперимент повторяется, но вместо условий вакуума вода находится под давлением азота при 1 атм. Согласно фазовой диаграмме воды, жидкость является устойчивой формой воды в этих условиях. Однако обычно наблюдается, что молекулы воды с наибольшей кинетической энергией улетучиваются и образуют газообразную фазу. Парциальное давление газообразной воды будет равно давлению насыщения при этой температуре.
Почему в данном случае мы говорим, что это равновесие жидкость/пар, поскольку жидкая фаза не находится под давлением, необходимым для возникновения этого равновесия?
Редактировать: я только что понял, что на мой вопрос, похоже, отвечает закон Рауля.
На поверхности жидкости происходит постоянное выбрасывание молекул с поверхности жидкости и воссоединение с ней молекул газа. Когда эти две скорости равны, чистого изменения нет, и система находится в равновесии.
Скорость, с которой жидкая вода выбрасывает молекулу, примерно не зависит от давления и основана исключительно на температуре. Температура определяет, сколько кинетической энергии имеют молекулы, в то время как давление просто определяет, насколько плотно они упакованы, а они уже очень плотно упакованы, поэтому плотность не сильно меняется. Молекулы воды всегда находятся прямо на поверхности из-за высокой плотности.
Скорость, с которой газообразные молекулы воды воссоединяются с водой, зависит от того, как часто они ударяются о поверхность, что зависит от плотности. По закону идеального газа плотность связана с давлением и температурой, поэтому, если мы уже установили температуру, она зависит только от давления. Таким образом, чем выше давление, чем выше плотность, тем больше газообразных молекул воды может удариться о поверхность и присоединиться к ней.
Локально плотность и давление газообразных молекул воды будут увеличиваться до тех пор, пока скорость воссоединения не сравняется со скоростью испарения.
Другие газы могут беспрепятственно бомбардировать поверхность воды, немного сжимая ее и значительно повышая давление. Однако это не увеличивает скорость, с которой улетучиваются молекулы воды, поэтому пар все равно будет уравновешиваться при том же парциальном давлении.
Вот где вступает в действие закон Рауля. На поверхности жидкости теперь есть два вида молекул, но скорость, с которой молекулы выбрасываются, остается прежней. Теперь эти выбросы должны быть разделены между видами, и согласно закону Рауля, это зависит от концентрации. Если 30 % молекул жидкости составляют вода, то 30 % выбросов будут водой, поэтому скорость выброса снижается до 30 %. Таким образом, в равновесии скорость воссоединения также должна быть 30%, поэтому должно быть на 30% больше столкновений, следовательно, 30% плотности и, следовательно, 30% давления пара.
Изучение газа непосредственно над поверхностью покажет парциальное давление воды, которое очень быстро приближается к давлению водяного пара при этой температуре. Эти молекулы воды затем диффундировали бы через азот, который медленно снижал бы локальное парциальное давление, если бы оно не восполнялось дополнительным испарением с поверхности. Это испарение требует энергии для преодоления скрытого тепла, и поэтому оно снижает локальную температуру воды. Вода является гораздо лучшим проводником тепла, чем воздух, поэтому это тепло берется из воды.
В одних процессах испарения преобладает медленная диффузия газа, в других температура падает до тех пор, пока не преобладает процесс диффузии. Вот почему жидкий азот становится и остается таким холодным, и почему температура по влажному термометру ниже, чем по сухому.
Если вы хотите узнать больше о стационарном решении, я бы порекомендовал прочитать об относительной/абсолютной влажности, конденсации и т. д.
Если вы хотите узнать больше об эффекте ограничения скорости, изучите диффузию газа .
Если вы хотите узнать больше о процессе испарения и конденсации, вам поможет изучение статистической термодинамики.
Когда вы говорите «не при том давлении, которое требуется для возникновения этого равновесия», вы делаете это утверждение, сравнивая с фазовой диаграммой воды. Однако фазовая диаграмма воды говорит вам о поведении объемной воды, а ваша система, включающая азот, — это не объемная вода, а объемная вода плюс азот. Таким образом, сравнение полного давления этой сложной системы с объемной фазовой диаграммой воды некорректно.
Рик