¿Disminuye la evaporación la entropía?

Question

Tengo un recipiente de agua en equilibrio térmico (no hay fluctuaciones de temperatura en el interior del recipiente).

Algunas moléculas se evaporarán del recipiente de agua disminuyendo así su temperatura. Esto es claramente un proceso espontáneo. ¿Pero no significa esto que la entropía del sistema está disminuyendo? Las moléculas que se evaporaron estaban claramente en equilibrio térmico con las otras moléculas de agua antes. Pero ahora ganaron algo de energía y las otras moléculas de agua perdieron energía.

¿Cómo puede ser esto?

Answer 1

No, de hecho se podría incluso ver la evaporación espontánea como accionado por el hecho de que aumenta entropía.

Básicamente, lo que ocurre es que las partículas del líquido tienen velocidades aleatorias (con una distribución caracterizada por la temperatura), y chocan entre sí. De vez en cuando, dos partículas cercanas a la interfaz chocarán de tal manera que una de ellas escapará del líquido y pasará a la fase gaseosa. La partícula que permanece en el líquido perderá energía en el proceso, por lo que ligeramente bajando la temperatura del líquido. Sin embargo, generalmente un gas tiene bastante más entropía específica (entropía por partícula) que el líquido a temperatura/presión fija [1]. Por lo tanto, la entropía global del sistema aumenta.

1] Compare, por ejemplo, la entropía molar para las fases sólida, líquida y gaseosa del agua en estas tablas de Wikipedia .

Answer 2

Depende de cómo defina su sistema o su volumen de control. Si sólo se tiene en cuenta el contenedor, entonces la entropía ha disminuido debido al enfriamiento. Por otro lado, si se tiene en cuenta el recipiente más el vapor que se escapa, la entropía ha aumentado, ya que la aleatoriedad de las moléculas en estado de vapor es mayor que en estado líquido a la misma temperatura. En lugar de la aleatoriedad se puede imaginar la entropía como el número (en realidad el logaritmo) de estados posibles en el sistema que conducen a los mismos observables macroscópicos (como T, p, etc.).

Answer 3

La temperatura es un concepto macroscópico, por lo que es inevitable encontrarse con algunos problemas cuando se aplica a escala molecular (lo que hace temperatura y el equilibrio (o para el caso, la fricción) incluso significan en un nivel tan pequeño).

Un equilibrio térmico no significa que todas las moléculas tengan la misma energía. La distribución de sus energías tiene este aspecto (distribución normal):

_{(fuente: <a href="https://www.oswego.edu/~srp/stats/images/normal_34.gif" rel="nofollow noreferrer">oswego.edu </a>)}

Aquí $\mu$ es la energía media y $\sigma$ describe la gama de energías. Por ejemplo, el 68% de las moléculas tienen una energía entre $ E = \mu - \sigma$ y $ E = \mu + \sigma$ .

Digamos que, por ejemplo, la energía necesaria para la evaporación es $ E = \mu + 2 \sigma$ . Eso significa que en su fluido todo a la derecha de $x =\mu +2 \sigma$ se ha ido. Debido a las colisiones aleatorias, la energía se redistribuye y volverá a formar una distribución normal. Pero como las moléculas con mayor energía se han perdido, el pico de esta distribución estará en $x$ que el original. En pocas palabras, eso significa que el líquido o el gas se ha enfriado.