Domanda:
Perché l'acqua liquida si forma quando espiriamo su uno specchio?
The99sLearner
2019-03-11 08:54:31 UTC
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Nelle descrizioni seguenti, presumo sempre che la pressione esterna sia costante a 1 atm , la condizione in cui vengono effettuate le osservazioni quotidiane.

1) Quando espiro su uno specchio , si forma acqua liquida sullo specchio. Questa è la condensa. Ovviamente, la temperatura dello specchio deve essere < 100 ° C, quindi il vapore acqueo che si condensa sullo specchio ha senso. Tuttavia, in tal caso, perché abbiamo vapore acqueo nel nostro respiro quando la nostra temperatura corporea è anche < 100 ° C in primo luogo?

2) Una ragione per (1) potrebbe essere come 'vapori d'acqua nell'aria è in equilibrio con l'acqua liquida ', quindi possono esistere alcuni vapori d'acqua sebbene T < 100 ° C. Se questo è corretto, in base a questo ragionamento, allora perché il ghiaccio non esiste a T > 0 ° C? [ p = solo 1 atm]

3) Se l'acqua liquida può evaporare in gas a T < 100 ° C , allora perché il ghiaccio non si trasforma in liquido a T < 0 ° C? (Non uso mai il termine 'sciogliere' qui, proprio come evaporare ≠ bollire) (entrambi hanno legami idrogeno, le forze intermolecolari dovrebbero essere le stesse?)

4) Quando espiro su un muro, niente goccioline d'acqua modulo. Perché si formano goccioline d'acqua sullo specchio ma non sul muro (solo un esempio)? Lo specchio deve avere la stessa temperatura di quella della parete, entrambi devono aver raggiunto l'equilibrio termico con l'ambiente circostante molto tempo fa.

Pubblicare come commento perché non ho riferimenti per sostenerlo, forse qualcun altro ne sa di più. Ho capito la differenza tra gas: liquido vs liquido: equilibri solidi causati dalla maggiore separazione delle molecole nella fase gassosa. Se una molecola d'acqua ha abbastanza energia cinetica per sfuggire al cristallo di ghiaccio ma rimane legata come liquida, è così vicina al ghiaccio che si stabilizzerebbe rapidamente. Ma se ha abbastanza energia per volare come molecola di gas, ci vuole tempo prima che si stabilisca da qualche parte e l'equilibrio tra la fuga e il ristabilimento determina le concentrazioni.
"* Se l'acqua liquida può evaporare in gas a T <100 ° C, allora perché il ghiaccio non si trasforma in liquido a T <0 ° C? *" È probabilmente una questione a sé stante (se fatto bene).
Se guardi [il punto di fusione della pressione] (https://en.wikipedia.org/wiki/Pressure_melting_point) Il ghiaccio può trasformarsi in liquido a T <0 ° C aumentando la pressione.
@jpa la tua risposta alla parte (3) ha senso per me Sarebbe bello se qualcuno ne sapesse di più potesse effettivamente confermarlo.
@A.K. Se mi riferisco al diagramma di fase, mostra che a 100kPa e 0 ° C
Quando si considera l'acqua pura (senza aria presente), "ha pressione di vapore" non significa che liquido e vapore siano presenti in equilibrio. Il liquido si trasformerà in vapore solo quando la pressione del vapore supera la pressione ambiente: ad es. a 100 ° C, la pressione del vapore raggiunge 1 atm e l'acqua bolle. Trovo utile pensare alla pressione del vapore come a descrivere quanto l'acqua "vuole" essere sotto forma di vapore, ma la pressione ambiente descrive quanto sono forti le forze che impediscono che ciò accada.
@GeoffreyBrent Eh? Ho pensato che ci sarà ancora del vapore acqueo in un contenitore chiuso a una pressione normale <100C senza aria?
@The99sLearner No. C'è * pressione di vapore * ma tutta l'acqua è in fase liquida.
@GeoffreyBrent quindi cosa causa la pressione? aria?
@The99sLearner non pensa alla "pressione del vapore" come alla "pressione creata dal vapore". Pensala come "la forza dell'acqua che sta tentando di diventare vapore". Se quella forza è abbastanza potente da superare la pressione ambientale, l'acqua diventerà vapore. Se non lo è, l'acqua rimane liquida, ma la pressione del vapore esiste ancora ed è utile per quantificare quanto l'acqua è vicina all'ebollizione. (Ancora una volta, sto parlando specificamente di uno scenario airless qui.)
Quattro risposte:
#1
+14
Karsten Theis
2019-03-11 09:14:41 UTC
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Perché abbiamo vapori d'acqua quando la nostra temperatura corporea è anche < 100 ° C in primo luogo?

A pressione normale, l'acqua bolle a 100 ° C, il che significa che bolle di vapore puro si formano sott'acqua. A temperature più basse, le molecole d'acqua si spostano in modo reversibile dalla fase liquida alla fase gassosa e viceversa. Maggiore è la temperatura, maggiore è la pressione del vapore e maggiore è la concentrazione di equilibrio (pressione parziale) dell'acqua nell'aria. Sulla scala geologica, non c'è equilibrio e sperimentiamo temperature diverse, umidità diversa (correlata alla pressione parziale dell'acqua nell'aria) e pressioni diverse a seconda della posizione.

Perché il ghiaccio non esistono a T> 0 ° C

Il ghiaccio, come solido puro, e l'acqua, come liquido puro, hanno una concentrazione definita a una data pressione e temperatura (l'espressione della costante di equilibrio per la fusione non include né acqua liquida né solida, è semplicemente 1). Al di sopra della temperatura di fusione, tutto il ghiaccio si scioglie, non c'è equilibrio. Questo è diverso dal liquido: equilibrio del gas, che esiste a temperature inferiori al punto di ebollizione, con concentrazioni sempre più basse del gas al diminuire della temperatura (qui, l'espressione della costante di equilibrio includeva la concentrazione o la pressione parziale del vapore acqueo).

Se l'acqua liquida può evaporare in gas a T<100 ° C, allora perché non il ghiaccio si trasforma in liquido a T<0 ° C?

Anche in questo caso, questo deve fare con liquidi puri e solidi puri aventi una concentrazione costante (o quasi costante). Se aggiungi sale al liquido, tuttavia, il ghiaccio si trasformerà in liquido al di sotto del punto di congelamento (abbassando di fatto la concentrazione di acqua nel liquido). Inoltre, la superficie del ghiaccio si scioglie a una temperatura inferiore rispetto alla massa, quindi anche per l'acqua pura, può esserci liquido a temperature inferiori al punto di congelamento della massa.

Quando espiro su un muro, non si formano goccioline d'acqua.

Vorrei fare un esperimento e controllare. Penso che le gocce d'acqua siano più facili da vedere su uno specchio. Prova un pianoforte a coda (cioè una superficie liscia dipinta con vernice nera lucida), potresti vedere anche le goccioline d'acqua. Oppure fai una lunga doccia calda e controlla se si formano gocce d'acqua su superfici diverse da uno specchio.

Va notato che il ghiaccio si trasforma in un * gas * a T <0 ° C abbastanza facilmente.
w.r. all'ultimo paragrafo: che ne dici di un muro piastrellato? Con piastrelle normali abbastanza lucide in una stanza fresca l'appannamento dovrebbe essere chiaro, soprattutto se si organizza un riflesso di una luce
@ChrisH Ho provato prima il muro piastrellato, sembra scivoloso dopo l'espirazione, ma all'inizio ho effettivamente provato il muro di cemento che ho visto e non ho sentito la presenza di acqua.
@The99sLearner Sospetto che il cemento assorba l'acqua più di molte altre superfici. Su una superficie porosa e difficilmente sentirai l'umidità facilmente.
Come afferma @Roland, oltre alla rugosità macroscopica della superficie del calcestruzzo, la condensa è molto più dura sia di posa che di fronte rispetto alle piastrelle lisce. Ho appena provato su un muro dipinto (vernice opaca su intonaco) e posso sentire la differenza abbastanza facilmente dove l'umidità dell'alito si è condensata. È possibile vederlo anche da alcune angolazioni.
@The99sLearner Prova una luce radente laterale sulla superficie. Ciò potrebbe rendere più facile vedere il leggero cambiamento nella consistenza causato dalla condensa. Anche se su cemento grezzo questo può ancora essere difficile da rilevare.
Acqua e vapore normalmente non sono in equilibrio con l'acqua liquida in condizioni normali. La condensa si verifica perché la situazione locale è lontana dall'equilibrio: uno specchio freddo provoca una condensazione locale perché la temperatura vicino allo specchio è inferiore alla temperatura dell'aria circostante e la concentrazione di vapore acqueo nel respiro è maggiore della concentrazione nell'aria circostante. Quando lo specchio si riscalda o l'aria circostante assorbe l'eccesso locale, la condensa evapora.
@matt_black: Ho modificato di conseguenza per dire che è una reazione reversibile piuttosto che l'acqua liquida e il vapore acqueo sono in equilibrio. La condensa si verifica perché la pressione parziale dell'acqua nel nostro respiro è superiore alla pressione del vapore dell'acqua alla temperatura dello specchio. Quando l'aria vicino allo specchio si mescolerà con l'aria secca della stanza, l'acqua evaporerà di nuovo. Se l'aria è umida come in un bagno dopo che qualcuno ha fatto una doccia calda, l'acqua non evaporerà.
@Luaan Come? Perché non vedo mai i miei cubetti di ghiaccio in frigorifero trasformarsi improvvisamente in gas. Stai dicendo che il solido ha la pressione del vapore?
@KarstenTheis "quindi, anche per l'acqua pura, può esserci liquido a temperature inferiori al punto di congelamento della massa", quindi in realtà un po 'di ghiaccio si trasforma in liquido a T <0 ° C?
@The99sLearner Sì, i solidi hanno la pressione del vapore, ma non vedrai il ghiaccio sublimarsi nel congelatore. Il ghiaccio d'acqua sublima solo a pressioni basse o alte (anche se non sono del tutto sicuro se il ghiaccio d'acqua vicino al punto di congelamento possa anche essere considerato sublimante - di solito si considera che attraversi la fase liquida IIRC). Il ghiaccio secco sublima facilmente alla pressione standard, però. Il ghiaccio d'acqua sublima abbastanza facilmente anche alla luce del sole.
@Luaan Ah capisco, perché sto considerando solo p = 1atm
#2
+9
BowlOfRed
2019-03-11 12:55:22 UTC
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La differenza principale è che in fase vapore, l'acqua può lasciare il contenitore (quindi puoi dire che è in una forma diversa), e questo gli impedisce di ricongiungersi immediatamente al liquido.

In entrambi i solidi / fasi liquide, l'acqua rimane nel resto della massa. Alcune molecole di liquido in un solido o poche molecole di un solido in un liquido non saranno rilevabili e qualsiasi molecola creata tornerà quasi immediatamente allo stato termodinamicamente favorito.

perché abbiamo vapori d'acqua quando la nostra temperatura corporea è anche <100 ° C in primo luogo?

L'acqua esiste in diverse forme in equilibrio. Alla temperatura corporea, l'equilibrio è per il vapore fino a quando la tensione di vapore supera circa 7kPa. Quindi si prevede che sia presente una certa quantità di vapore.

perché non esiste il ghiaccio a T> 0 ° C? [p = 1atm only]

Immaginiamo che ci sia un equilibrio tra liquido-vapore e tra liquido-solido.

Quando si forma un po 'di vapore, il vapore può allontanarsi dal liquido sfuso. Lì può essere rilevato da solo (o miscelato con altri componenti atmosferici).

Se poche molecole dovessero formare legami simili a quelli del ghiaccio nell'acqua, lo stesso non accade. Rimangono nella massa e non sarebbero rilevabili. Il ghiaccio è un fenomeno di massa e in realtà non si comporta come il ghiaccio familiare fino a quando non hai molte molecole legate insieme in un punto, e questo non è favorito a temperatura ambiente.

Se l'acqua liquida può evaporare in gas a T<100 ° C, allora perché no il ghiaccio si trasforma in liquido a T<0 ° C

Lo fa. C'è un equilibrio tra la forma liquida e quella solida. Soprattutto vicino al punto di congelamento, ci saranno alcune molecole che lasciano il legame e non fanno parte del cristallo di ghiaccio. Ma poiché l'equilibrio punta alla forma solida, saranno solo una piccola parte della massa e non saranno visibili.

In effetti, ci sarà ancora anche del vapore. Anche al di sotto di 0 ° C, la pressione del vapore è ancora positiva.

Perché le gocce d'acqua si formano sullo specchio ma non sul muro (solo un esempio)?

La finitura del vetro rende visibile una raccolta anche di minuscole gocce. L'aspetto dello specchio / vetro normalmente è dominato dalla luce proveniente dalla riflessione speculare. Le goccioline di condensa disperdono la luce, creando riflessi più diffusi. Un muro normale mostrerà già un riflesso diffuso, quindi l'aggiunta di un po 'di condensa non lo cambia. Devi effettivamente vedere le gocce per notarle, e ciò accade solo quando le gocce diventano un po 'più grandi.

Se guardo il diagramma di fase dell'acqua, in quelle condizioni abbiamo effettivamente' liquido ', anche se capisco che dovrebbe esserci tensione di vapore in equilibrio, i dettagli del diagramma di fase contraddicono il fatto. Qual è quindi il significato di "liquido" nel diagramma di fase?

In quella regione del diagramma, è termodinamicamente favorevole che la fase liquida esista alla rinfusa. Al di fuori di quella regione, anche con una quantità sufficiente di acqua, qualsiasi liquido sfuso tenderà a passare a vapore o solido.

Il mio ghiaccio può effettivamente scomparire completamente a T<0 ° C, proprio come l'acqua liquida evapora completamente lasciando il secchio vuoto?

Assolutamente. Lascia un cubetto di ghiaccio da solo nel congelatore e sublimerà. La pressione del vapore è ancora positiva, quindi una parte di essa si trasforma in vapore. Quel vapore viene sostituito dall'aria secca delle bobine del condensatore e il cubetto di ghiaccio si restringe nel tempo.

* I numeri si riferiscono a parti della domanda in questo post. Le mie ulteriori domande si basano sulla tua risposta.1) "Alla temperatura corporea, l'equilibrio è per il vapore fino a quando la pressione del vapore supera circa 7 kPa." Se guardo il diagramma di fase dell'acqua, in quelle condizioni abbiamo effettivamente "liquido", mentre capisco che dovrebbe esserci la pressione del vapore in equilibrio, i dettagli del diagramma di fase contraddicono il fatto. Qual è quindi il significato di "liquido" nel diagramma di fase? 2) Risposta di BowlOfRed
3) "Soprattutto vicino al punto di congelamento, ci saranno alcune molecole che lasciano il legame e non fanno parte del cristallo di ghiaccio." Supponendo che ciò sia vero, se in qualche modo riesco a rimuovere quella parte di acqua che 'non fa parte del cristallo di ghiaccio', il mio ghiaccio può effettivamente scomparire completamente a T <0 ° C, proprio come l'acqua liquida evapora completamente lasciando il secchio vuoto? 4 ) Risposta di Geoffrey Brent e jeffB
@The99sLearner Ti manca una cosa importante: i diagrammi di fase mostrano cosa succede a un materiale in un contenitore chiuso ideale. Cioè, se hai una lattina piena d'acqua a 32 ° C a pressione standard, sarà liquida, e se è a 110 ° C, sarà un vapore. Ma lo stesso non è vero se si ha una lattina aperta: l'acqua a 32 ° C tenderà quindi verso un equilibrio dato all'incirca dalla tensione di vapore del liquido e dalla pressione parziale del gas. Lo stesso vale per il ghiaccio, ma lì l'equilibrio tende a essere distorta verso liquido / gas: è difficile che la fase solida si formi spontaneamente.
@The99sLearner Tutti i liquidi evaporano (o solidificano) sempre, anche liquidi come il mercurio in condizioni standard (sebbene ciò richieda migliaia di ore per grammo!). A rigor di termini questo è vero anche nel contenitore chiuso, tuttavia, è necessario tenere conto del fatto che l'interno non rimarrà "standard" - qualsiasi liquido che evapora * notevolmente * aumenta la pressione (1L di acqua produce circa 1700L di vapore alla stessa pressione!), che lo fa liquefare di nuovo quasi istantaneamente. Quindi c'è ancora un equilibrio tra il liquido e il gas, ma dubito che il gas sia persino misurabile.
#3
+4
Geoffrey Brent
2019-03-12 10:35:24 UTC
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Quando espiro su un muro, non si formano goccioline d'acqua. Perché si formano goccioline d'acqua sullo specchio ma non sul muro (solo un esempio)? Lo specchio deve avere la stessa temperatura di quella della parete, entrambi devono aver raggiunto l'equilibrio termico con l'ambiente circostante molto tempo fa.

Sì, lo specchio e il muro saranno a la stessa temperatura, ma questa è solo una parte della storia.

Metti una mano su uno specchio e l'altra sul muro accanto a quello specchio. Che cosa ti fa sentire più freddo?

Oppure, lascia un blocco di legno e una tazza di vetro nell'acqua a circa 70 ° C, abbastanza a lungo da consentire loro di raggiungere l'equilibrio. Quindi selezionali rapidamente con le pinze e tienine uno in ciascuna mano. Cosa ti fa sentire più caldo?

Il vetro caldo ha la stessa temperatura del blocco di legno. Ma il vetro è un conduttore di calore molto migliore, il che significa che quando lo raccogli, è molto meglio trasmettere quel calore alle dita - quindi il vetro caldo sembra più caldo del legno caldo alla stessa temperatura, e il vetro freddo sembra più freddo di cartongesso freddo alla stessa temperatura.

La stessa cosa sta succedendo qui: sebbene lo specchio abbia la stessa temperatura del muro, lo specchio è molto più bravo a raffreddare l'aria che lo attraversa, quindi tu vedrai molta più condensa.

(Anche la capacità termica è una considerazione qui, ma la differenza nella capacità termica tra legno / cartongesso e vetro è molto inferiore alla differenza di conduttività .)

#4
+4
jeffB
2019-03-12 20:28:46 UTC
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L'acqua liquida ha una pressione di vapore che aumenta con la temperatura. 100 ° C è speciale solo perché è la temperatura alla quale la pressione del vapore acqueo è uguale alla pressione atmosferica . Quando ciò accade, l'acqua può bollire.

Anche mentre l'acqua non bolle, però, può evaporare, perché la sua pressione di vapore è ancora diversa da zero. In effetti, questo vale anche per il ghiaccio.

I meteorologi usano il concetto di punto di rugiada . È una caratteristica di una massa d'aria contenente vapore acqueo e rappresenta la temperatura alla quale quella massa d'aria diventa satura di vapore acqueo. (Tecnicamente, a quel punto, la pressione parziale del vapore acqueo nell'aria è uguale alla pressione del vapore dell'acqua alla stessa temperatura.)

Se esponi una superficie all'aria e la temperatura della superficie è inferiore al punto di rugiada dell'aria, sulla superficie si formerà condensa.

A quanto pare, l'aria che espiri è piuttosto umida; il suo punto di rugiada è alto. Respira su una superficie al di sotto di quella temperatura del punto di rugiada e vedrai la condensa.

Allora perché non vedi la condensa su un muro? Come un'altra risposta già affermata, il materiale della parete non conduce il calore come il vetro e ha una capacità termica inferiore. Di conseguenza, il tuo respiro riscalda rapidamente la superficie fino a quando non è sopra il punto di rugiada e la condensa si ferma.

Modifica per aggiungere: il punto indicato da @Luaan sotto è probabilmente pari più importante per molti materiali da parete! Una superficie che assorbe l'acqua non mostra condensa tanto rapidamente quanto una che è impermeabile.

Va anche notato che quando si spruzza acqua su un muro, si bagna, mentre su uno specchio si creano goccioline. Se respiri su una superficie che non si bagna (legno laccato, plastica, metallo ...), otterrai condensa, anche se non sempre molto visibile. Una superficie che * si * si bagna assorbirà invece l'acqua (nel momento in cui sarà abbastanza bagnata da mostrare le goccioline effettive, probabilmente sarai in mezzo a problemi di muffa :)).


Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 4.0 con cui è distribuito.
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