¿Por qué el punto de condensación del agua es la misma temperatura que el punto de ebullición?

Question

Soy un completo profano y leí en algún sitio que la temperatura del punto de condensación del agua es de 100°C, igual que la temperatura del punto de ebullición.

Pensando intuitivamente, esto no tiene sentido para mí. ¿Acaso el agua no se condensa siempre a diferentes temperaturas relativas, como cuando el aire está caliente y húmedo y se condensa en un vaso frío? ¿Puede alguien explicarme cómo funciona esto?

Answer 1

He leído en alguna parte que la temperatura del punto de condensación del agua es de 100°C

Por favor, intenta indicar las fuentes para poder revisar el contexto, los supuestos, el razonamiento y la credibilidad. Los lectores no tienen ni idea de lo que se lee ni de si se aplica en todas las circunstancias.

Afortunadamente, recibimos muchas consultas en línea sobre la reclamación. Descubrimos que la temperatura a la que se hace referencia es, en realidad, la temperatura máxima a la que se produce condensación con una humedad relativa del 100%. (Esto está relacionado con el punto de rocío o la temperatura a la que debe enfriarse el aire para alcanzar el 100% de humedad relativa). Esto explica la condensación en el vidrio frío, más frío que el punto de rocío; la transferencia de calor con el vidrio enfría el aire y el vapor de agua de tal manera que este último se satura y se condensa, y el agua perdida por este cambio de fase de gas a líquido se repone continuamente por la circulación del aire.

¿Puede alguien explicarme cómo funciona?

Un repaso rápido a la termodinámica, los cambios de fase y la presión de vapor: la naturaleza busca maximizar la entropía (es la Segunda Ley), lo que suele significar minimizar la energía. Para nuestro entorno familiar de temperatura y presión casi constantes, la energía relevante se denomina Energía libre de Gibbs $G\equiv U+PV-TS$ con energía interna $U$ presión $P$ volumen $V$ temperatura $T$ y entropía $S$ .

Por tanto, un valor más bajo de $G$ se ve favorecida. Puedes ver inmediatamente que esta función penaliza un gran volumen, por ejemplo (porque el sistema necesita empujar la atmósfera fuera del camino), pero recompensa una gran entropía (porque proporciona muchos más arreglos, uno de los cuales es más probable que observemos). Así que ya podemos obtener predicciones útiles; por ejemplo, el aspecto presión-volumen indica que las fases de mayor densidad y menor volumen deben ser las más estables a presiones más altas, lo que se confirma experimentalmente. Esencialmente, todo se solidifica a una presión suficiente.

Pero nos centramos en la temperatura. Un razonamiento similar predice que todo hierve o se gasifica a una temperatura suficiente. He aquí un gráfico de $G$ para las fases de un material simple típico (como el agua) a diferentes temperaturas:

La materia condensada -sólidos y líquidos- tiene una energía interna inferior a la de los gases porque están bien enlazados (lo que libera energía), y los sólidos son los mejor enlazados de los dos. Así, a bajas temperaturas (pequeñas $TS$ ), los sólidos ganan la carrera por la menor energía libre de Gibbs. A altas temperaturas, el gas de alta entropía gana debido a ese coeficiente de temperatura. Esto concuerda con la conocida transición de fusión y posterior ebullición al calentarse, condensación y posterior congelación al enfriarse.

Hasta ahora, hemos estado hablando de materiales a presión atmosférica, y esto es coherente con nuestra definición de ebullición: la temperatura en la que el presión de vapor coincide con la presión atmosférica, reconocible como la temperatura a la que las burbujas de vapor pueden apartar el agua y ascender flotando en el líquido en ebullición.

Sin embargo, la presión de vapor del agua puede ser ciertamente inferior a la presión saturada (que es la presión de equilibrio en un espacio cerrado sobre la fase líquida). El rango posible se cuantifica mediante el humedad relativa en una escala de 0-100%. El agua abierta se evapora espontáneamente hasta que la humedad relativa es del 100% o se agota el líquido.

(Para demostrarlo, podemos observar el cambio de energía libre de Gibbs para temperatura y cantidad constantes, que en forma diferencial es $dG = V\,dP$ . Aplicación de la ley de los gases ideales $PV=nRT$ tenemos $dG=\frac{nRT}{P}dP$ que integramos para obtener $\Delta G=nRT\ln\Delta P$ o $\Delta P=\exp\left(\frac{\Delta G}{nRT}\right)$ . $\Delta G$ es negativa para un gas con respecto a un líquido, por lo que nos encontramos con que la presión de vapor aumenta exponencialmente al aumentar la temperatura. Sorprendentemente, esto es cierto para todos los elementos:

La explicación resumida de la condensación es la siguiente:

• En nuestra atmósfera existe vapor de agua, cuantificado por la humedad relativa, casi siempre inferior a la presión de vapor saturado. Esta presión saturada puede calcularse a partir de las propiedades básicas de los materiales de las distintas fases y refleja un compromiso entre una fuerte unión (baja energía interna), densidad (bajo volumen) y muchas disposiciones posibles (alta entropía), mediado por la presión y la temperatura circundantes.

• La presión de vapor de equilibrio es una función exponencialmente creciente de la temperatura. Cuando un objeto adyacente enfría el aire húmedo, el contenido de agua no varía, pero la humedad relativa aumenta porque se mide en relación con la temperatura de saturación, que ha descendido. Esencialmente, la Naturaleza está menos interesada en la entropía favorablemente alta de la fase gaseosa porque la temperatura ha bajado en la fase gaseosa. $TS$ término. La naturaleza está ahora más interesada en la $U$ o término de energía interna, ya que la formación de enlaces entre las moléculas de agua liberaría energía y disminuiría $U$ .

• Por tanto, la condensación se vuelve espontánea a medida que nos enfriamos a través del punto de rocío del 100% de humedad relativa. Por supuesto, el vapor de agua se agota durante este proceso, pero en la práctica se sustituye por aire fresco húmedo que está listo para enfriarse y condensar su humedad. Hay que tener en cuenta que gran parte de la energía liberada por la condensación se destina a calentar esa bebida fría, lo que en última instancia conduce a un equilibrio de temperatura uniforme y humedad relativa del 100% o inferior. Para evitar este calentamiento, se podría suprimir la condensación con uno de esos koozies .