Piensa en ello. Si hay agua en forma gaseosa, ¿cómo puede haber también agua en forma líquida? El agua gaseosa tendría que tener más energía que la líquida, pero si está a la misma temperatura, ¿cómo obtendría esa energía?
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Fernando Briano
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La rama de la física que estudia estos problemas se llama "termodinámica", y es una teoría de gran éxito, ya que describe la mayor parte del comportamiento de la materia a granel y puede utilizarse en ingeniería y otros proyectos de forma fiable.
En termodinámica, la materia se compone de moléculas modeladas como partículas clásicas con algunas propiedades colectivas que se definen mediante mediciones.
Se ha observado que la materia aparece en fases:
Este diagrama muestra la nomenclatura de las diferentes transiciones de fase.
La variable de la derecha es una variable de la energía del sistema, la entalpía.Cuando esta variable de energía es suficientemente grande sólo pueden existir las fases de gas y plasma (los átomos se separan en iones y electrones), y en valores aún mayores sólo plasma. Este diagrama describe con precisión las observaciones.
El agua gaseosa tendría que tener más energía que la líquida, pero si está a la misma temperatura, ¿cómo obtendría esa energía?
La conexión de temperatura en mecánica estadística a nivel de los átomos y moléculas que componen la materia, es
Se observa que la energía cinética media del gas es proporcional a la temperatura, no a la energía cinética total del gas ( la integral del gráfico).
La materia a una temperatura dada tendrá una distribución de energía, ya que algunos átomos serán rápidos y otros lentos, pero la energía cinética media definirá la temperatura. Así, la energía cinética media de las moléculas del gas es la misma que la energía cinética media de los átomos del agua líquida. Las moléculas de agua en forma de gas entran en el aire porque están en la cola de la distribución de energía cinética del agua líquida, y en la superficie pueden escapar del potencial de tensión superficial que está definiendo la superficie del líquido. Éstas, como se ha visto, pueden ser muy pocas, por lo que su conjunto tiene una energía cinética total pequeña, y alcanzan el equilibrio por dispersión entre sí en el gas y con las moléculas de la superficie (las dos temperaturas, líquido/gas, se igualan).
Cada molécula individual toma un poco de energía cinética saliendo y alguna otra molécula la devuelve cayendo de nuevo sobre la superficie en el equilibrio de la temperatura, y el número de moléculas gaseosas permanece estable para una temperatura dada. Al aumentar la temperatura aumenta el número de moléculas en las colas de la distribución de energía cinética y más moléculas de agua pueden escapar de la superficie del líquido, etc.
Floris
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Para una temperatura y una presión dadas, es posible que un cierta cantidad de líquido para estar en fase vapor. En cualquier momento, las moléculas de agua del líquido escapan al vapor y, al mismo tiempo, algunas de las moléculas de vapor vuelven al líquido.
El equilibrio se establece cuando la velocidad de estos dos procesos es la misma. A qué presión (parcial) ocurrirá eso es función de la temperatura.
Ejemplo: empezar a baja temperatura. Muy pocas moléculas de agua del líquido tienen la energía necesaria para escapar; así que si sólo unas pocas moléculas por segundo golpean el agua y "se quedan", se tiene el equilibrio a baja presión de vapor.
Aumenta ahora la temperatura del agua. Más moléculas pueden escapar, superando inicialmente la velocidad a la que las moléculas vuelven a la fase líquida. La presión parcial de vapor aumenta hasta que las dos velocidades vuelven a ser iguales.
Una vez que la velocidad a la que las moléculas escapan del agua supera la velocidad a la que regresan, incluso a plena presión atmosférica, el agua "hierve". Las moléculas de agua que regresan no alcanzan la velocidad a la que salen.
