¿Qué hace hervir el agua?

Answer 1

Resumen

En breve,

• El agua debe estar a una temperatura suficientemente alta para que su vapor y líquido sean estables a la misma presión (la temperatura de ebullición)
• Se necesita poner más energía, en forma de calor, para formar burbujas.
• Si las burbujas son fáciles de formar, el agua hervirá un poco por encima de la temperatura de ebullición (nucleación hirviendo).
• Si las burbujas son difíciles de formar, el agua hervirá a una temperatura significativamente más alta de lo esperado.
• Si las burbujas son muy difíciles de formar y el agua se calienta muy rápidamente, en cierto punto se formará rápidamente una película en el elemento de calentamiento, la temperatura del elemento de calentamiento aumentará muy rápidamente y el agua se evaporará muy rápidamente ( hirviendo película).

Versión larga

El tipo de ebullición que Ashley Hawkins ha descrito no es muy común.

Hay dos requisitos para hervir el agua, en, por ejemplo, un hervidor o una cacerola:

1. Suficiente energía para superar las atracciones intermoleculares en el líquido. Este es el requisito termodinámico, según lo descrito por Ashley Hawkins.
2. Suficiente energía para formar burbujas de vapor en el líquido. Este es el requisito cinético.

Las burbujas son vapor atrapadas por una película de líquido. La tensión superficial del líquido y la presión del agua (supongamos que se trata de presión atmosférica) actúan para colapsar la burbuja; La presión del vapor en la burbuja actúa para expandir la burbuja. Cuando esas fuerzas son iguales, la burbuja no cambiará de tamaño.

Hay dos fuerzas que actúan para colapsar la burbuja, y una que actúa para expandirla, de modo que cuando la burbuja no se colapsa ni se expande, las dos fuerzas de colapso deben ser iguales a la fuerza de expansión única. Así que la fuerza de expansión, es decir, la presión del vapor en la burbuja, debe ser mayor que cada una de las fuerzas individuales que actúan para colapsar la burbuja.

Resulta que la contribución de la tensión superficial en relación con la presión externa es mayor cuanto más pequeña es la burbuja. Esto significa que para burbujas muy pequeñas la presión interna es muy alta.

El diagrama de fase para el agua muestra la temperatura necesaria para convertir el agua en vapor. La presión es la presión del líquido y la presión del vapor para un límite plano. Sin embargo, para una burbuja, la presión de vapor interna da la temperatura requerida para producir esa burbuja. (Actualización: la imagen parece haber sido eliminada. Se actualizará con una nueva).

Las burbujas más pequeñas requieren que el líquido esté a una temperatura más alta, y para cualquier burbuja es más alta que el punto de ebullición (al menos cerca de la burbuja). Esta energía extra se conoce como sobrecalentamiento.

El problema es que las burbujas grandes se forman a partir de burbujas pequeñas, y las burbujas más pequeñas se formarían a temperaturas insosteniblemente altas.

Esto parece ser una paradoja (posiblemente un Catch-22): hervir es la liberación de burbujas de vapor, pero las burbujas de vapor nunca pueden formarse. Así que el agua nunca puede hervir …

En realidad, la superficie del elemento de caldera o bandeja que suministra calor al agua no será suave. Las grietas permiten que se forme vapor con un área más pequeña de contacto con el líquido y, por lo tanto, menos tensión superficial. De esta manera, las burbujas se forman por debajo de la temperatura predicha como arriba para una burbuja de ese volumen.

Una vez que la burbuja alcanza un tamaño crítico, puede desprenderse de la grieta y crecerá y se elevará. Esto se conoce como ebullición nucleada, y es lo que sucede cuando el agua hierve en un hervidor.

Sin embargo, si la superficie es muy suave o si la velocidad de calentamiento es demasiado alta, el agua puede alcanzar una temperatura muy alta antes de que empiecen a formarse burbujas. En este caso, muchas burbujas se forman al mismo tiempo, muy rápidamente. Esto forma una película de vapor debajo del líquido, que se eleva. Esto es película hirviendo. La ebullición de la película necesita un control cuidadoso, ya que a menudo es posible destruir el elemento de calentamiento (su temperatura puede alcanzar 1000 ° C más que el punto de ebullición del líquido).

La ‘temperatura de ebullición’ del agua a una presión dada es una temperatura de saturación, la temperatura a la cual el vapor de agua y el líquido son estables (a esa presión). No es exactamente la temperatura a la que hierve el agua, a menos que el agua se caliente tan lentamente (y se mezcle tan bien) que nunca se formen burbujas, y toda la ebullición es en realidad evaporación de la superficie.

Actualización: Curva de ebullición del agua (licencia CC):

Answer 2

Si estás buscando el procedimiento detallado:

Al suministrar calor al agua, lo estás suministrando con energía. Esto aumenta la energía cinética de los átomos en el agua y comienzan a moverse cada vez más rápido en el líquido.

Llega un punto donde la energía cinética de estos átomos es suficiente para que se liberen de la atracción intermolecular del líquido. Las moléculas entonces escapan del líquido como un gas.

Básicamente es así como se produce la ebullición.

En cuanto a la declaración de John Goetz sobre la reducción de la presión, lo explicaré con el ejemplo de un recipiente con agua en la atmósfera abierta.

Hay una serie de fuerzas que actúan sobre y dentro del líquido en el recipiente de agua mencionado anteriormente. Uno de ellos es la presión atmosférica o atmosférica.

Esta presión atmosférica es la fuerza de una columna de aire sobre el tazón de agua que presiona hacia abajo en un área determinada. Este “prensado” ayuda a empujar hacia abajo las moléculas en el líquido y evita que se escapen. (La ebullición proporcionará a las moléculas el calor / energía suficiente para superar el “prensado”.)

Las moléculas en un líquido se mueven constantemente y, por lo tanto, transportan una cierta cantidad de energía cinética.

Cuando se reduce la presión, las moléculas del líquido no necesitan tanta energía como necesitaban antes de escapar del líquido. Por lo tanto, la energía cinética que contienen es suficiente para superar el “prensado” y escapar de las fuerzas intermoleculares del líquido.

Answer 3

En primer lugar, debemos saber que cada vez que hervimos líquidos o fundimos los sólidos calentándolos a cierta temperatura, rompemos las fuerzas intermoleculares de atracción entre las partículas constituyentes que constituyen estos sólidos o líquidos. En caso de agua tomada en forma pura, es decir, no hay otra sustancia. (por ejemplo, alcohol o amoníaco) está mezclado en él, hay un enlace de hidrógeno intermolecular que es un tipo de fuerzas intermoleculares de atracción. Para hervir agua, es decir, para formar vapores a partir de agua, necesitamos romper los enlaces de hidrógeno existentes entre las moléculas de agua que se realiza calentando a cierta temperatura, es decir, proporcionando suficiente energía térmica. Por lo tanto, se concluye que el agua hierve a cierta temperatura, esto se debe a que esta temperatura supera el enlace de hidrógeno intermolecular que existe entre diferentes moléculas de agua.