Qu’est-ce qui fait réellement bouillir?

curiousgeorge

Qu’est-ce qui fait réellement bouillir?


L’ébullition peut être facilement survolée avec quelques diagrammes rudimentaires et quelques équations, mais je cherche une explication plus approfondie.

La définition de l’ébullition est que la pression de vapeur dans le liquide est égale à la pression de vapeur de l’air. Cela semble raisonnable dans des conteneurs ouverts car lorsque la pression dépasse 1 atm, des bulles peuvent se former. Cependant, considérez un récipient fermé à, disons, 40 degrés Celsius. C’est trop froid pour bouillir, mais la pression de vapeur du liquide doit être égale à la pression exercée par la vapeur (le système se déplacera jusqu’à ce que cet équilibre soit atteint). Pourquoi cette eau ne bout-elle pas? Les pressions sont les mêmes, de sorte que des bulles peuvent se former et une ébullition peut se produire.

Mon incompréhension fondamentale de l’ébullition au niveau moléculaire mène à des questions plus connexes:

Quand de la chaleur est ajoutée, pourquoi la température monte-t-elle jusqu’au point d’ébullition et alors toute l’énergie va vers la rupture des liaisons? Dans l’eau de fusion, la pression de vapeur de l’eau et celle du solide sont égales afin qu’elles puissent coexister. Si tel est le cas, n’est-ce pas techniquement le triple point? parce que l’eau, le solide et la vapeur sont présents? (Cela ne peut pas être bien sûr car le point de fusion n’est pas égal au point triple).

theindigamer

La pression présentée par la vapeur présente au-dessus d’une surface liquide est connue sous le nom de pression de vapeur (par définition). Je ne sais pas trop ce que vous entendez par « la pression de vapeur du liquide doit être égale à la pression exercée par la vapeur (le système se déplacera jusqu’à ce que cet équilibre soit atteint) ». Il y a peut-être une certaine confusion entre la pression de vapeur et la pression partielle. Selon Wikipédia, « l’air au niveau de la mer et saturé de vapeur d’eau à 20 ° C, a des pressions partielles d’environ 2,3 kPa d’eau, 78 kPa d’azote, 21 kPa d’oxygène et 0,9 kPa d’argon ».

Réponses


 Chester Miller

L’ébullition se produit lorsque la pression de vapeur d’équilibre à la température du liquide est égale à la pression totale du système et que de la chaleur est fournie (soit à l’extérieur, soit par la chaleur sensible du liquide lui-même). La phase gazeuse en contact avec le liquide peut être composée de vapeur pure (auquel cas la pression totale est essentiellement égale à la pression de vapeur d’équilibre), ou, elle peut être composée d’un mélange de vapeur et d’air (auquel cas le total pression essentiellement égale à la somme de la pression de vapeur d’équilibre de la substance bouillante plus la pression partielle de l’air).

À 40 ° C, l’eau peut toujours bouillir dans un récipient si le gaz est évacué à une pression inférieure à la pression de vapeur d’équilibre à 40 ° C (situation hors équilibre). L’ébullition peut se poursuivre jusqu’à ce que la pression totale dans l’espace de tête atteigne une valeur égale à la pression de vapeur d’équilibre. Tant que la pression partielle de la substance dans la vapeur et la pression totale (s’il y a de l’air) est inférieure à la pression de vapeur d’équilibre de l’eau à la température du liquide, l’ébullition continuera. La chaleur de vaporisation peut être fournie par le liquide lui-même, de sorte que la température de l’eau baissera (en supposant que la chaleur n’est pas directement fournie). Une fois que la pression de vapeur d’équilibre à la température du liquide tombe en dessous de la pression totale, l’ébullition s’arrête.Une fois que la pression partielle de la vapeur dans la phase gazeuse devient égale à la pression de vapeur d’équilibre, l’évaporation s’arrête.

Concernant la question du point de fusion et du point triple, le point de fusion est très proche du point triple. Au point triple, de l’eau pure est présente dans les trois phases (pas d’air présent dans la phase gazeuse) et la pression totale est égale à la pression de vapeur d’équilibre du liquide et du solide. Au point de fusion, de l’air est présent dans la phase gazeuse à 1 atm., Et la pression totale du système est donc essentiellement de 1 atm. La différence entre le point de fusion et le point triple n’est que d’environ 0,01 C.

David White

L’apport de chaleur à un processus d’ébullition n’est pas une exigence. Si vous soumettez de l’eau à 40 ° C à un vide (par exemple, « tirez un vide » sur l’eau avec une pompe à vide), l’eau bouillira d’elle-même et la température de l’eau baissera, car la chaleur nécessaire à l’ébullition est venant de l’eau.

Chester Miller

@David White Que signifient pour vous les mots « À 40 C, l’eau peut bouillir dans un récipient si le gaz est évacué à une pression inférieure à la pression de vapeur d’équilibre à 40 C »?

David White

Chester Miller, si vous relisez votre réponse, vous verrez que vous avez déclaré qu’il fallait fournir de la chaleur pour provoquer l’ébullition (voir le premier paragraphe de votre réponse). Ce n’est pas le cas.

Chester Miller

@DavidWhite Que disent les mots « La chaleur de vaporisation peut être fournie par le liquide lui-même, donc la température de l’eau va baisser (en supposant que la chaleur n’est pas directement fournie). » signifie pour vous?

David White

OK, deux peuvent jouer à ce jeu. Que signifie pour vous une réponse incohérente?


 hsinghal

Je pense que la question est vraiment pertinente. Si vous chauffez le liquide sans aucune impureté et dans un ballon à parois très lisses, maintenu à une pression plus élevée jusqu’à ce que la température soit juste en dessous du point d’ébullition à cette pression et que vous commenciez lentement à réduire la pression, vous constaterez que l’eau n’est pas a commencé à bouillir, cet état est connu comme état super chauffé. Si vous déposez une très petite particule dans cette eau super chauffée, vous trouverez une traînée de bulles derrière cette particule.

Cette expérience donne en fait une meilleure compréhension de l’ébullition. Au point d’ébullition, bien que la pression de vapeur à l’intérieur du liquide soit égale à celle de l’environnement, mais l’acte d’ébullition provient de certaines instabilités présentes dans le liquide sous forme d’impuretés, de points chauds de température, etc., cette instabilité crée une petite bulle au fond qui monte et grandit et vous verrez des bulles aléatoires sortir de l’eau.

En ce qui concerne la deuxième partie de votre question, @chester miller en a donné une description correcte. Je voudrais ajouter que vous devez fournir suffisamment de chaleur pour maintenir l’eau à température constante et continuer à pomper le système pour le maintenir à ébullition, sinon votre eau se transformera bientôt en glace (je l’ai vu expérimentalement).

David White

Si votre eau est surchauffée de plus de quelques degrés et que vous la dérangez avec une petite particule, vous ne verrez PAS de traînée de bulles derrière la particule … vous verrez le liquide bouillant « flasher » hors de son récipient, probablement brûlant vous dans le processus. N’ESSAYEZ PAS cette expérience à la maison, surtout si vous n’avez aucune expérience avec les liquides surchauffés!

hsinghal

@DavidWhite Merci pour l’avertissement, c’est la raison précise pour laquelle il faut éviter de chauffer l’eau dans le four à micro-ondes, elle peut devenir super chauffée.

 

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