Das Kochen kann mit ein paar rudimentären Diagrammen und ein paar Gleichungen leicht überwunden werden, aber ich suche eine tiefere Erklärung.
Die Definition des Siedens ist, dass der Dampfdruck in der Flüssigkeit gleich dem Dampfdruck der Luft ist. Dies erscheint bei offenen Behältern sinnvoll, da sich bei einem Druck von über 1 atm Blasen bilden können. Betrachten Sie jedoch einen geschlossenen Behälter bei sagen wir 40 Grad Celsius. Dies ist zu kalt zum Kochen, aber der Dampfdruck der Flüssigkeit muss gleich dem Druck sein, der vom Dampf ausgeübt wird (das System wird sich bewegen, bis dieses Gleichgewicht erreicht ist). Warum kocht dieses Wasser nicht? Die Drücke sind gleich, daher können sich Blasen bilden und es kann zum Sieden kommen.
Mein grundlegendes Missverständnis des Kochens auf molekularer Ebene führt zu verwandteren Fragen:
Warum steigt bei Wärmezufuhr die Temperatur bis zum Siedepunkt und dann geht die gesamte Energie auf das Aufbrechen von Bindungen? In Schmelzwasser sind der Dampfdruck von Wasser und Feststoff gleich, sodass beide koexistieren können. Wenn dies der Fall ist, ist dies nicht technisch gesehen der Tripelpunkt? weil Wasser, Feststoff und Dampf vorhanden sind? (Das kann natürlich nicht sein, weil der Schmelzpunkt nicht gleich dem Tripelpunkt ist).
Sieden tritt auf, wenn der Gleichgewichtsdampfdruck bei der Temperatur der Flüssigkeit gleich dem Gesamtdruck des Systems ist und Wärme bereitgestellt wird (entweder extern oder durch die fühlbare Wärme der Flüssigkeit selbst). Die mit der Flüssigkeit in Kontakt stehende Gasphase kann aus reinem Dampf bestehen (in diesem Fall ist der Gesamtdruck im Wesentlichen gleich dem Gleichgewichtsdampfdruck) oder sie kann aus einem Gemisch aus Dampf und Luft bestehen (in diesem Fall ist der Gesamtdruck gleich). Druck im Wesentlichen gleich der Summe des Gleichgewichtsdampfdrucks der siedenden Substanz plus dem Partialdruck der Luft).
Bei 40 C ist es immer noch möglich, dass Wasser in einem Behälter siedet, wenn das Gas auf einen Druck unter dem Gleichgewichtsdampfdruck bei 40 C evakuiert wird (eine Nichtgleichgewichtssituation). Das Sieden kann fortgesetzt werden, bis der Gesamtdruck im Kopfraum auf einen Wert ansteigt, der gleich dem Gleichgewichtsdampfdruck ist. Solange der Partialdruck der Substanz im Dampf und der Gesamtdruck (falls Luft vorhanden ist) kleiner als der Gleichgewichtsdampfdruck von Wasser bei der Flüssigkeitstemperatur ist, wird das Sieden fortgesetzt. Die Verdampfungswärme kann von der Flüssigkeit selbst geliefert werden, sodass die Wassertemperatur sinkt (vorausgesetzt, die Wärme wird nicht direkt zugeführt). Sobald der Gleichgewichtsdampfdruck bei der Flüssigkeitstemperatur unter den Gesamtdruck fällt, hört das Sieden auf.
Bezüglich der Frage nach Schmelzpunkt und Tripelpunkt, der Schmelzpunkt liegt sehr nahe am Tripelpunkt. Am Tripelpunkt ist in allen drei Phasen reines Wasser vorhanden (keine Luft in der Gasphase vorhanden) und der Gesamtdruck ist gleich dem Gleichgewichtsdampfdruck der Flüssigkeit und des Feststoffs. Am Schmelzpunkt liegt Luft in der Gasphase bei 1 atm vor, der Gesamtdruck des Systems beträgt somit im Wesentlichen 1 atm. Der Unterschied zwischen Schmelzpunkt und Tripelpunkt beträgt nur etwa 0,01 C.
Ich denke, die Frage ist wirklich relevant. Wenn Sie die Flüssigkeit ohne jede Verunreinigung und in einem Kolben mit sehr glatten Wänden unter höherem Druck erhitzen, bis die Temperatur knapp unter dem Siedepunkt bei diesem Druck liegt, und Sie langsam beginnen, den Druck zu verringern, werden Sie feststellen, dass das Wasser dies nicht ist zu kochen begann, wird dieser Zustand als überhitzter Zustand bezeichnet. Wenn Sie ein sehr kleines Partikel in dieses supererhitzte Wasser fallen lassen, finden Sie hinter diesem Partikel eine Spur von Blasen.
Dieses Experiment gibt tatsächlich ein tieferes Verständnis des Kochens. Am Siedepunkt ist zwar der Dampfdruck in der Flüssigkeit gleich dem der Umgebung, aber der Siedevorgang kommt von bestimmten Instabilitäten, die in der Flüssigkeit in Form von Verunreinigungen, Temperaturspitzen usw. vorhanden sind. Diese Instabilität erzeugt am Boden eine kleine Blase, die auftaucht und an Größe zunimmt, und Sie werden zufällige Blasen sehen, die aus dem Wasser kommen.
Was den zweiten Teil Ihrer Frage betrifft, hat @chester Miller eine korrekte Beschreibung dafür gegeben. Ich möchte hinzufügen, dass Sie genügend Wärme bereitstellen müssen, um das Wasser auf einer konstanten Temperatur zu halten, und das System weiter pumpen müssen, um es auf dem Siedepunkt zu halten, da sich Ihr Wasser sonst bald in Eis verwandelt (ich habe dies experimentell gesehen).
TypeDesinfektionsmittel