¿Puede un gas mantener una presión negativa?

Question

Mi libro de texto afirma que los líquidos (digamos el agua, por ejemplo) pueden mantener "presiones negativas" debido a sus fuerzas de atracción intermoleculares. El texto representa este concepto con la siguiente imagen

A continuación, el autor afirma también que "en los gases, la presión sólo puede ser positiva". Sin embargo, esta afirmación me plantea problemas. Si las fuerzas intermoleculares atractivas de un líquido son las que permiten a los líquidos mantener presiones negativas, entonces seguramente real gases (a diferencia de ideal Los gases) pueden, de hecho, mantener una presión negativa porque las moléculas de un gas real pueden ser atractivas (cuando su presión interna es positiva: $\pi_T>0$ ) o de repulsión (cuando $\pi_T < 0$ ). El caso cuando $\pi_T>0$ ¿las fuerzas intermoleculares atractivas deberían permitir, en teoría, que los gases mantuvieran presiones negativas? ¿Es esto cierto? ¿Pueden los gases mantener presiones negativas al igual que los líquidos (aunque con una fuerza reducida en relación con los líquidos)?

Answer 1

Los estados estirados y de presión negativa de los líquidos no son tan conocidos como los estados metaestables de sobreenfriamiento y sobrecalentamiento. Incluso hoy en día, muchos físicos creen que la presión no puede ser negativa. Curiosamente, en la primera década del presente siglo, un taller de investigación avanzada de la OTAN, celebrado en Budapest en 2002, se dedicó por completo a Líquidos bajo presión negativa . A reciente documento sobre el tema comienza su resumen de la siguiente manera:

Aunque normalmente se cree que la presión es una cantidad siempre positiva positiva, los estados de presión negativa existen desde el principio del Universo, y se han estudiado desde Huygens.

El punto clave de los estados de presión negativa de los sólidos y los líquidos es que son metaestables con respecto a la coexistencia de una fase estable líquido-vapor (o sólido-vapor). Sin embargo, los procesos de nucleación que conducen al sistema hacia el estado estable pueden ser muy ineficientes, y el estado metaestable puede durar imperturbable durante horas o días. Cada líquido tiene un límite inferior para las presiones negativas. Por debajo de ese límite, el estado metaestable se vuelve inestable y la cavitación (es decir, la formación de burbujas de vapor) resulta inevitable. Sin embargo, hay que tener en cuenta que el límite de presión negativa puede alcanzar valores de $-100$ MPa (para el agua). Obviamente, estos valores son auténticos valores negativos de la presión absoluta (no presión manométrica ).

¿Y qué pasa con las presiones negativas en los gases? Dos factores importantes hacen que la situación de los gases sea muy diferente.

La primera es la mayor distancia media entre las moléculas en el vapor con respecto al caso del líquido (casi un orden de magnitud mayor para el vapor que coexiste con el líquido cerca del punto triple. Las mayores distancias significan que la cola atractiva de las interacciones intermoleculares, responsable de la fuerza de cohesión, es significativamente más débil que en el caso de los líquidos.

Un segundo factor relacionado es una asimetría fundamental entre el proceso de estiramiento de un líquido o un gas. En el caso de un estado líquido estable de partida, el estiramiento implica conducirlo a la región metaestable. Si partimos de una fase de vapor estable y aumentamos el volumen, pasamos de una fase estable a otra fase estable con una densidad menor (y una presión todavía positiva).