Warum bleibt die Temperatur konstant, wenn Wasser kocht?

Dies liegt daran, dass der Außendruck konstant ist (bei einer Atmosphäre). Wenn Sie den Druck erhöhen, zB mit einem Schnellkochtopf, dann steigt die Temperatur, oder ebenso, wenn Sie den Druck verringern, sinkt die Temperatur.

Wasser kocht, wenn das chemische Potential des Wassers gleich dem chemischen Potential des Dampfes ist. Betrachten wir Dampf als ideales Gas, dann wird das chemische Potential durch Druck und Temperatur gesteuert.

Wenn Sie nur mit Wasser bei unter 100 ° C beginnen, verdunstet das Wasser und der Partialdruck des Wasserdampfs steigt, bis das chemische Potenzial von Dampf und Wasser übereinstimmt. An diesem Punkt gibt es keine Nettoverdunstung des Wassers.

Bei 100°C steigt jedoch der Partialdruck des Dampfes im Gleichgewicht mit dem Wasser auf eine Atmosphäre und kann nicht höher werden. Wenn Sie also die Temperatur über 100 °C erhöhen, können Wasser und Dampf nicht im Gleichgewicht sein, sodass das Wasser in einem verzweifelten, aber hoffnungslosen Versuch, den Dampfdruck zu erhöhen, kontinuierlich kocht.

So erhöhen Schnellkochtöpfe den Siedepunkt. Bei 100 ºC kocht das Wasser, aber in einem Schnellkochtopf kann es den Dampfdruck auf über Atmosphärendruck erhöhen, sodass das Wasser mit dem Dampf über 100 ºC im Gleichgewicht bleiben kann.

Die kinetische Energie und Temperatur nehmen zu, aber diese Moleküle sind kein flüssiges Wasser mehr; sie lösen sich und treten als Dampf aus. Wenn Sie die Temperatur von aktiv kochendem Wasser messen, wird das Thermometer von den heißen Blasen um es herum beeinflusst und zeigt eine Temperatur an, die etwas heißer als die Siedetemperatur ist (sie kann je nach Einstellung um etwa ein Grad abweichen).

Die Energie wird erhöht. Unter der Oberfläche sind die Wassermoleküle jedoch dicht gepackt. Wenn sie also keine Dampfblase bilden können, wird die Energie unter der Oberfläche sofort an andere Moleküle weitergegeben. Erst wenn sich eine Dampfblase bildet (oder das Molekül an der Oberfläche ist), wird die Energie nicht sofort weiter übertragen, sondern das Molekül kann entweichen.

Die Energie, die erforderlich ist, um Dampf zu werden, kann als die Energie interpretiert werden, die das Wassermolekül benötigt, um die Flüssigkeit zu verlassen und nicht durch das Gas um die Flüssigkeit herum zurückgeworfen zu werden. Es ist ein Gleichgewicht, das von der mittleren Bewegungsdistanz der Moleküle abhängt, ohne ein anderes Molekül oder Atom zu treffen und zu viel Energie auf dieses Molekül zu übertragen, so dass es wieder flüssig wird. Die freie Bewegungsstrecke der Moleküle ist jedoch nichts anderes als der Gasdruck. Mit steigendem Druck wird es also für die Moleküle außerordentlich schwierig, den flüssigen Wasserkörper zu verlassen, weil die Wahrscheinlichkeit, ein anderes Molekül in der Luft um ihn herum zu treffen, größer wird, wodurch die Siedetemperatur steigt.

Wenn dieses Molekül dann zu Dampf wird, ist es nicht mehr Teil der Flüssigkeit. Als das Molekül die Flüssigkeit verließ, nahm es jedoch die überschüssige Energie mit. Die überschüssige Energie befindet sich nicht mehr in der Flüssigkeit, die eine konstante Temperatur hat. Der Dampf tut jedoch nicht unbedingt dasselbe, abhängig von den Bedingungen des anderen Gases um die Flüssigkeit herum.

Auch der Grund, warum Wasser mit von unten aufsteigenden Blasen kocht, liegt meist an der ungleichmäßigen Energieverteilung innerhalb der Flüssigkeit. Die Wärmequelle erwärmt Wassermoleküle direkt dort, wo sie Kontakt zur Flüssigkeit haben. Einige Moleküle haben so viel mehr Energie, dass sie trotz des Drucks, den das Wasser auf sie ausübt, unter der Oberfläche zu Dampf werden.

Auf makroskopischer Ebene bleibt jedoch die Temperatur des flüssigen Wassers insgesamt weitgehend konstant, da der Dampf (mit der höheren Energie) aus der Flüssigkeit entweicht und nur die Flüssigkeit mit konstanter Temperatur zurücklässt.

Aber wenn einige Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Molekülen zerstört werden, warum wird dann die kinetische Energie dieser bestimmten Moleküle nicht erhöht und folglich die Temperatur?

Die Idee, dass die Temperatur proportional zur durchschnittlichen kinetischen Energie von Molekülen ist, gilt genau für klassische ideale Gase und ist eine Annäherung für andere Systeme.

Die grundlegende Eigenschaft der thermodynamischen Temperatur besteht darin, dass, wenn zwei Systeme in engen Kontakt gebracht werden, eine spontane Nettowärmeübertragung vom wärmeren zum kühleren System stattfindet, während der Nettowärmefluss in die entgegengesetzte Richtung nicht spontan erfolgt. Der Grund für diese Spontaneität ist, dass das kühlere System mehr Entropie gewinnt , wenn es einen kleinen Zuwachs erhält$\delta q$Wärmemenge, als das Warner-System verliert , wenn es die gleiche Wärmemenge aufgibt. Diese Wärmeübertragung wird fortgesetzt, bis die beiden Systeme ein thermisches Gleichgewicht erreichen. Zu diesem Zeitpunkt sind ihre Temperaturen gleich.

Beispielsweise wird ein Liter Wasser mit 50 °C als heißer angesehen als ein Liter Wasser mit 40 °C, da die Wärme spontan von Ersterem zu Letzterem fließen würde und nicht umgekehrt. Dies würde schließlich dazu führen, dass sich beide Systeme bei der Zwischentemperatur von 45 °C einpendeln.

Aber wenn Wasser kocht, gibt es keinen Zustand zwischen Wasser und Dampf. Dampf, der sich direkt am Siedepunkt befindet, überträgt Nettowärme nicht spontan auf Wasser, das sich direkt am Siedepunkt befindet. Jeder kleine Schritt$\delta q$Wärme, die vom Dampf auf das Wasser übertragen wird, würde einfach zu einer kleinen Menge Dampf führen$\frac{\delta q}{\Delta H_{vap}}$sich in Wasser und genau die gleiche Menge Wasser in Dampf umwandeln, sodass sich die Entropie des Systems als Ganzes nicht ändern würde.

Aus diesem Grund müssen wir zugeben, dass die Temperatur von Dampf am Siedepunkt gleich der Temperatur von Wasser am Siedepunkt ist, obwohl die durchschnittliche kinetische Energie im gasförmigen Zustand höher sein kann.