¿Por qué se forma agua líquida cuando exhalamos en un espejo?

Question

En las descripciones a continuación, siempre asumo que la presión externa es constante a 1 atmósfera, la condición en la que se realizan observaciones diarias.

1) Cuando exhalo en un espejo, se forma agua líquida en el espejo. Eso es condensación. Obviamente, la temperatura del espejo debe ser < 100 °C, por lo que tiene sentido que el vapor de agua se condense en el espejo. Sin embargo, en ese caso, ¿por qué tenemos vapor de agua en nuestra respiración cuando la temperatura de nuestro cuerpo también es < 100 °C en primer lugar?

2) Una razón para (1) puede ser 'los vapores de agua en el aire están en equilibrio con el agua líquida', por lo que algunos vapores de agua pueden existir aunque T < 100 °C. Si esto es correcto, basándonos en este razonamiento, ¿por qué no existe hielo a T > 0 °C? [p = 1 atmósfera solamente]

3) Si el agua líquida puede evaporarse en gas a T < 100 °C, entonces ¿por qué el hielo no se convierte en líquido a T < 0 °C? (Nunca uso el término 'fundir' aquí, al igual que evaporarse != hervir) (ambos tienen enlaces de hidrógeno, ¿las fuerzas intermoleculares deberían ser las mismas?)

4) Cuando exhalo en una pared, no se forman gotas de agua. ¿Por qué se forman gotas de agua en el espejo pero no en la pared (solo un ejemplo)? El espejo debe tener la misma temperatura que la de la pared, ambos deben haber alcanzado el equilibrio térmico con su entorno hace mucho tiempo.

Answer 1

¿Por qué tenemos vapor de agua cuando la temperatura de nuestro cuerpo también es <100°C en primer lugar?

A presión normal, el agua hierve a 100°C, lo que significa que se forman burbujas de vapor puro debajo del agua. A temperaturas más bajas, las moléculas de agua se mueven de manera reversible de la fase líquida a la fase gaseosa y viceversa. A mayor temperatura, mayor es la presión de vapor, y mayor es la concentración de equilibrio (presión parcial) de agua en el aire. A escala geológica, no hay equilibrio y experimentamos diferentes temperaturas, humedad diferente (relacionada con la presión parcial de agua en el aire) y diferentes presiones dependiendo de la ubicación.

¿Por qué el hielo no existe a T>0°C?

El hielo, como sólido puro, y el agua, como líquido puro, tienen una concentración definida a una presión y temperatura dadas (la expresión de la constante de equilibrio para la fusión no incluye agua líquida ni sólida, es simplemente 1). Por encima de la temperatura de fusión, todo el hielo se derrite, no hay equilibrio. Esto es diferente al equilibrio líquido:gaseoso, que existe a temperaturas por debajo del punto de ebullición, con concentraciones cada vez más bajas del gas a medida que la temperatura desciende (aquí, la expresión de la constante de equilibrio incluyó la concentración o presión parcial del vapor de agua).

Si el agua líquida puede evaporarse en gas a T<100°C, ¿entonces por qué el hielo no se convierte en líquido a T<0°C?

Nuevamente, esto tiene que ver con los líquidos puros y los sólidos puros teniendo una concentración constante (o casi constante). Si agregas sal al líquido, sin embargo, el hielo se convertirá en líquido por debajo del punto de congelación (efectivamente reduciendo la concentración de agua en el líquido). Además, la superficie del hielo se derrite a una temperatura más baja que el interior, por lo que incluso para agua pura, puede haber líquido a temperaturas por debajo del punto de congelación del interior.

Cuando exhalo en una pared, no se forman gotas de agua.

Haría un experimento y verificaría. Creo que las gotas de agua son más fáciles de ver en un espejo. Prueba con un piano de cola (es decir, una superficie lisa pintada con pintura negra brillante), es posible que también veas las gotas de agua allí. O toma una larga ducha caliente y verifica si se forman gotas de agua en superficies que no sean un espejo.

Answer 2

La diferencia principal es que en la fase de vapor, el agua puede salir del contenedor (por lo que puedes decir que está en una forma diferente) y eso evita que se reincorpore inmediatamente al líquido.

En ambas fases sólida/líquida, el agua permanece en el resto del volumen. Unas cuantas moléculas de líquido en un sólido o unas cuantas moléculas de un sólido en un líquido no serán detectables, y cualquier creación volverá casi inmediatamente al estado termodinámicamente favorecido.

¿por qué tenemos vapores de agua cuando la temperatura de nuestro cuerpo también es <100°C en primer lugar?

El agua existe en diferentes formas en equilibrio. A temperatura corporal, el equilibrio es para el vapor hasta que la presión de vapor excede aproximadamente 7kPa. Por lo tanto, se espera que haya cierta cantidad de vapor presente.

¿por qué no existe hielo a T>0°C? [p=1atm solamente]

Imaginemos que existe un equilibrio entre líquido-vapor y entre líquido-sólido.

Cuando se forma un poco de vapor, el vapor puede alejarse del líquido a granel. Allí puede ser detectado por sí solo (o mezclado con otros componentes atmosféricos).

Si unas pocas moléculas formaran enlaces similares a los del hielo dentro del agua, eso no sucede. Permanecen dentro del volumen y no serían detectables. El hielo es un fenómeno a granel y no se comporta realmente como un hielo familiar hasta que tienes muchas moléculas unidas juntas en un lugar, y eso no es favorecido a temperatura ambiente.

Si el agua líquida puede evaporarse en gas a T<100°C, entonces ¿por qué no el hielo se convierte en líquido a T<0°C?

Sí lo hace. Existe un equilibrio entre las formas líquida y sólida. Especialmente cerca del punto de congelación, habrá algunas moléculas que abandonarán el enlace y no serán parte del cristal de hielo. Pero como el equilibrio apunta hacia la forma sólida, serán solo una parte pequeña de la masa y no serán visibles.

De hecho, todavía habrá algún vapor también. Incluso por debajo de 0°C, la presión de vapor sigue siendo positiva.

¿Por qué se forman gotas de agua en el espejo pero no en la pared (solo un ejemplo)?

El acabado del vidrio hace que una colección de gotitas incluso pequeñas sea visible. La apariencia del espejo/vidrio normalmente está dominada por la luz de la reflexión especular. Las gotas de condensación dispersan la luz, creando reflexiones más difusas. Una pared normal ya mostrará reflexión difusa, por lo que agregar un poco de condensación no cambia eso. Tienes que ver realmente las gotas para notarlas, y eso solo sucede cuando las gotas son un poco más grandes.

Si observo el diagrama de fases del agua, bajo esas condiciones realmente tenemos 'líquido', mientras entiendo que debería haber presión de vapor en equilibrio, los detalles del diagrama de fases contradicen el hecho. ¿Cuál es el significado de 'líquido' en el diagrama de fases entonces?

En esa región del diagrama, es termodinámicamente favorable que la fase líquida exista a granel. Fuera de esa región, incluso con cantidades suficientes de agua, cualquier líquido a granel tenderá a la transición a vapor o sólido.

¿Puede mi hielo realmente desaparecer completamente a T<0°C, al igual que el agua líquida se evapora completamente dejando el cubo vacío?

Absolutamente. Deja un cubo de hielo en tu congelador solo y se sublimará. La presión de vapor sigue siendo positiva, por lo que alguna cantidad se convierte en vapor. Ese vapor es reemplazado por aire seco de las bobinas del condensador y el cubo de hielo se encoge con el tiempo.

Answer 3

El agua líquida tiene una presión de vapor que aumenta con la temperatura. 100°C es especial solo porque es la temperatura donde la presión de vapor del agua iguala la presión atmosférica. Cuando eso sucede, el agua puede hervir.

Incluso cuando el agua no está hirviendo, puede evaporarse, porque su presión de vapor sigue siendo distinta de cero. De hecho, esto también es cierto para el hielo.

Los meteorólogos utilizan el concepto de punto de rocío. Es una característica de una masa de aire que contiene vapor de agua, y representa la temperatura en la cual esa masa de aire se satura de vapor de agua. (Técnicamente, en ese punto, la presión parcial de vapor de agua en el aire iguala la presión de vapor del agua a la misma temperatura.)

Si expones una superficie al aire, y la temperatura de la superficie está por debajo del punto de rocío del aire, se formará condensación en la superficie.

Resulta que el aire que exhalas es bastante húmedo; su punto de rocío es alto. Respira sobre una superficie a una temperatura por debajo de ese punto de rocío, y verás condensación.

Entonces, ¿por qué no ves condensación en una pared? Como otra respuesta ya mencionó, el material de la pared no conduce el calor tan bien como el vidrio, y tiene una menor capacidad calorífica. Como resultado, tu aliento calienta rápidamente la superficie hasta que está por encima del punto de rocío, y la condensación se detiene.

Editado para agregar: ¡El punto que @Luaan menciona abajo probablemente es aún más importante para muchos materiales de pared! Una superficie que absorbe agua no muestra condensación tan rápidamente como una que es impermeable.

Answer 4

Cuando exhalo en una pared, no se forman gotas de agua. ¿Por qué se forman gotas de agua en un espejo pero no en una pared (solo un ejemplo)? El espejo debe tener la misma temperatura que la pared, ambas deben haber alcanzado el equilibrio térmico con su entorno hace mucho tiempo.

Sí, el espejo y la pared estarán a la misma temperatura, pero eso es solo parte de la historia.

Pon una mano en un espejo, y la otra en la pared al lado de ese espejo. ¿Cuál se siente más frío?

O deja un bloque de madera y una taza de vidrio en agua a unos 70C / 160F, el tiempo suficiente para que alcancen el equilibrio. Luego sácalos rápidamente con pinzas y sostén uno en cada mano. ¿Cuál se siente más caliente?

El vidrio caliente está a la misma temperatura que el bloque de madera. Pero el vidrio es un mejor conductor de calor, lo que significa que cuando lo levantas, es mucho mejor para transmitir ese calor a tus dedos, por lo que el vidrio caliente se siente más caliente que la madera caliente a la misma temperatura, y el vidrio frío se siente más frío que el cartón yeso frío a la misma temperatura.

Lo mismo está sucediendo aquí: aunque el espejo está a la misma temperatura que la pared, el espejo es mucho mejor para enfriar el aire que pasa sobre él, por lo que verás mucha más condensación.

(La capacidad térmica también es un factor a considerar aquí, pero la diferencia en la capacidad térmica entre madera/cartón yeso y vidrio es mucho menor que la diferencia en conductividad.)

Answer 5

Han pasado casi dos años y, sin embargo, volver a leer esta pregunta todavía me confunde. Las respuestas y comentarios proporcionados por los usuarios son realmente útiles y excelentes, pero diferentes respuestas/comentarios explican diferentes partes de las preguntas en diferentes grados. He decidido escribir una recopilación basada en las respuestas/comentarios que dieron la explicación más convincente, en mi opinión.

1. Respuesta de jeffB

El punto de rocío es la temperatura característica de una muestra de aire, tal que, cuando el aire está a esta temperatura, está saturado de vapor de agua y, si se enfría aún más, ocurrirá la condensación del agua y se formará agua líquida. La muestra de aire de nuestro cuerpo tiene un mayor contenido de agua que la muestra de aire circundante y, por lo tanto, tiene un punto de rocío más alto. Cuando esta muestra de aire se expone a un espejo que está a una temperatura ligeramente más baja, esa temperatura más baja ya está por debajo del punto de rocío de la muestra de aire, por lo que ocurre la condensación.

En realidad, esta pregunta no es nada especial; la respuesta de Karsten Theis también lo explicó bien. Nuestra temperatura corporal es más alta, por lo que la presión de vapor es mayor; el espejo enfría la temperatura, por lo que la presión de vapor disminuirá, por lo que el vapor de agua se condensa, eso es todo.

$\space$$\space$$\space$2 y 3. Respuesta de Karsten Theis

La vista teórica es que, para el caso líquido-vapor, estás en la línea (significa que el líquido y el vapor están en equilibrio) en el diagrama de fases del agua, y cuando la presión de vapor cambia debido al cambio de temperatura, seguirás estando en la línea (se conserva el equilibrio). Para el caso sólido-líquido, tu presión está fija (la presión es simplemente la presión experimentada por las fases condensadas), cuando cambias T desde 0 $^\mathrm{o}$C el equilibrio entre el sólido y el líquido se romperá, y ya no estarás en la línea, estarás en la región sólida con 2 grados de libertad. La discrepancia en el comportamiento se debe a que la presión del vapor puede cambiar cuando la temperatura cambia y así se conserva el equilibrio, y no hay un comportamiento análogo similar para el caso sólido-líquido.

La razón física proporcionada por BowlOfRed y el comentario de jpa (en la pregunta principal) tienen sentido. Si una molécula de agua tiene suficiente energía cinética para escapar de un cristal de hielo pero permanece unida como líquido, está tan cerca del hielo que volvería rápidamente.

4. Respuesta de Geoffrey Brent

Argumento basado en la conductancia térmica y la capacidad calorífica: en esencia, el espejo puede 'difundir' bien el calor. Al exhalar en una pared, la temperatura local en el punto de contacto aumentará rápidamente, reduciendo la eficiencia de condensar el vapor de agua aún más.

PD: En mi humilde opinión, las cuatro respuestas ayudan en diferentes partes de la pregunta, así que no estoy seguro de cuál aceptar. Pero considero que esta pregunta está resuelta. Aceptaré la respuesta más votada.