Por que o oxigênio e o hidrogênio são compressíveis, mas a água quase não é compressível

O que torna os dois gases compressíveis, mas não se aplica a um líquido como a água?

Comentários

  • É ' importante notar que a água pode ser comprimida, mas em uma extensão muito menor do que o ar. Seu módulo de volume (aproximadamente, a pressão necessária para causar uma diminuição apreciável no volume) é 10.000 vezes maior que o ar, mas ainda é finito. Assim, por exemplo , mesmo nos oceanos profundos a 4 km de profundidade, onde as pressões são de 40 MPa, há apenas uma diminuição de 1,8% no volume – mas há ainda compressão. A questão é " quanto? ".
  • @EmilioPisanty: mudou a questão.
  • Porque a água é um líquido, e os líquidos são menos compressíveis que os gases. Liquide o hidrogênio ou o oxigênio e você ' verá que eles também dificilmente são compressíveis. Ou vaporize água (muito mais fácil de fazer) e você ' verá que é compressível como hidrogênio ou oxigênio.
  • Muito bem. Gases e líquidos se comportam de maneira diferente porque gases e líquidos se comportam de maneira diferente. Essa é uma questão bem diferente de perguntar se os constituintes que vão para a água se comportam de maneira diferente da água (eles se comportam, é claro). Misturar diferenças químicas e diferenças de fase em uma pergunta deixa você confuso.

Resposta

O a força entre dois átomos (não reagentes) é aproximadamente dada pelo potencial de Lennard-Jones , e isso varia com a separação dos átomos mais ou menos assim:

Lennard-Jones

(esta imagem é do artigo da Wikipedia que criei um link acima). No diagrama, o parâmetro $ \ sigma $ pode ser considerado como o tamanho do átomo, então o valor no eixo $ x $ de $ r / \ sigma = 1 $ é o ponto onde os átomos entram em contato. Quando os átomos estão distantes, há uma atração muito leve, mas assim que os átomos entram em contato há uma forte repulsão e é muito difícil empurrar os átomos para mais perto.

Seja cauteloso sobre tomar isso também iteralmente, pois os átomos são objetos um tanto confusos e não têm um tamanho exato. no entanto, permanece o ponto de que há uma distância entre os átomos na qual de repente eles começam a se repelir fortemente.

Agora, de volta à sua pergunta. Para gases quase ideais, como oxigênio e hidrogênio em temperatura e pressão padrão, um mol (que é $ 6,023 \ vezes 10 ^ {23} $ moléculas) ocupa cerca de 22,4 litros. Isso significa que o espaçamento médio entre as moléculas é de cerca de 3 nm. O tamanho de uma molécula de oxigênio é aproximadamente (elas não são esféricas) 0,3 nm, então o espaçamento entre as moléculas é cerca de 10 vezes seu tamanho. Isso está bem à direita no gráfico acima, e isso significa que as forças entre eles são baixos e é muito fácil juntá-los. É por isso que os gases podem ser facilmente comprimidos.

Agora, considere a água. Um mol de água (0,018 kg) ocupa cerca de 18ml, então o espaçamento entre as moléculas na água é cerca de 0,3 nm – em outras palavras, elas estão em contato umas com as outras. Este é o ponto onde as moléculas começam a se repelir fisicamente, e isso torna difícil empurrá-las para mais perto. É por isso que a água não é comprimida facilmente.

Você pergunta sobre a compressão de uma mistura de oxigênio e hidrogênio (não reagido). Bem, se você comprimir o oxigênio o suficiente, ele se liquidificará e a densidade do oxigênio líquido é de cerca de 1140 kg / m $ ^ 3 $. Isso torna o espaçamento entre as moléculas de oxigênio de cerca de 0,35 nm. Este espaçamento é quase igual ao tamanho das moléculas de O $ _2 $, por isso é difícil comprimir o oxigênio líquido. Você pode repetir este cálculo para hidrogênio líquido (densidade de cerca de 71 kg / m $ ^ 3 $) e você obtém um resultado muito semelhante. Na verdade, eu esperaria que o hidrogênio líquido fosse mais compressível do que o oxigênio líquido e a água porque a molécula de H $ _2 $ é significativamente menor. No entanto, um Google rápido falhou em encontrar valores para o módulo bruto de hidrogênio líquido.

Resposta

A densidade média da água líquida é cerca de 1000 $ kg / m ^ 3 $. A densidade média do ar é cerca de $ 1 kg / m ^ 3 $. Portanto, a água líquida é cerca de 1000 vezes mais densa do que o gás. Quando você comprime a água líquida, as forças moleculares tornam-se muito fortes, impedindo-a de ser comprimida muito. No entanto, para um gás, as moléculas estão tão distantes que as forças são muito menores (a principal razão pela qual um gás não pode ser comprimido é devido à energia cinética das moléculas em o gás).

Comentários

  • A densidade média de hidrogênio e oxigênio comprimido é algo como 1000 $ kg / m ^ 3 $?
  • Acho que você quer perguntar se é algo como $ 1kg / m ^ 3 $ e sim.O ar é composto por essas partículas e é a mesma fase. As densidades do ar e do ar comprimido não devem ' estar desfeitas em mais de uma ordem de magnitude.
  • na verdade, eu quis dizer que se você misturar oxigênio e hidrogênio e compactá-lo, isso resultaria na mesma densidade da água?
  • @QuoraFea: Por que você esperaria que fosse o mesmo?
  • Somente se você fosse capaz de compactá-lo o suficiente para forçá-lo a passar por uma mudança de fase.

Resposta

O modelo básico de um gás que contém partículas individuais de gás não interaja. Como em: há espaço suficiente entre as moléculas, de modo que elas passam a maior parte do tempo viajando em linha reta, sem se chocarem, ou seja, há muito espaço entre as partículas. Com isso em mente, “não é surpreendente que um gás seja compressível.

Se você comprimir o gás o suficiente (e diminuir a temperatura), eventualmente as partículas se aproximarão o suficiente para começarem a se atrair, e então o gás gira em um líquido. Você não pode “comprimir um líquido tanto” simplesmente porque não há tanto espaço entre as partículas.

Em resumo

Gases: muito espaço entre as partículas -> compressível

Líquidos: muito pouco espaço entre as partículas -> não compressíveis

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