Verdamping en koken

In Leadville in Colorado, ongeveer 3100 m hoog, is de luchtdruk ongeveer 68 kPa en kookt water bij ongeveer 90 °C.

Een plas droogt op een koele dag op zonder ooit in de buurt van 100 °C te komen. Een pan water op het fornuis daarentegen staat rustig te wachten tot het bij ongeveer 100 °C begint te borrelen. Beide zijn verdamping in de brede zin, de overgang van vloeistof naar gas, maar het is niet hetzelfde proces. Verdampen gebeurt alleen aan het oppervlak en bij elke temperatuur. Koken gebeurt in de hele vloeistof, bij één bepaalde temperatuur die afhangt van de druk erboven.

Verdamping en dampspanning

In elke vloeistof hebben de moleculen verschillende snelheden. Een paar aan het oppervlak bewegen snel genoeg om zich los te rukken van hun buren en in de lucht te ontsnappen. Dat is verdamping. Omdat de snelste moleculen het eerst vertrekken, hebben de achterblijvers een lagere gemiddelde energie, en dus koelt de vloeistof af. Zweet werkt zo. OpenStax schat dat het verdampen van 1.5 L zweet in een heet klimaat ongeveer 3600 kJ warmte aan het lichaam onttrekt.

In een gesloten fles verzamelen de ontsnapte moleculen zich boven de vloeistof en botsen sommige daarvan terug in de vloeistof. Uiteindelijk keren er per seconde evenveel terug als er vertrekken. De druk van de damp op dat moment is de dampspanning van de vloeistof. Die hangt af van de stof en de temperatuur, niet van de grootte van de fles. Vloeistoffen waarvan de moleculen elkaar zwak aantrekken, hebben een hoge dampspanning: bij 20 °C is die van methanol 11.9 kPa en die van ethanol 5.95 kPa. Verwarm je een vloeistof, dan hebben meer moleculen genoeg energie om te ontsnappen, dus stijgt haar dampspanning.

Koken hangt af van de lucht erboven

Een vloeistof kookt wanneer haar dampspanning gelijk is aan de druk van de omgeving. Dan kunnen er dampbellen in de vloeistof ontstaan zonder dat ze worden platgedrukt. Het normale kookpunt is het kookpunt bij 1 atm, dat is 101.3 kPa. Voor water is dat 100 °C. Hoog in de bergen is de luchtdruk lager, dus kookt water bij een lagere temperatuur: in Leadville, waar de druk ongeveer 68 kPa is, kookt het bij ongeveer 90 °C. Een snelkookpan doet het omgekeerde. Hij houdt stoom vast, verhoogt de druk en laat het water heter worden dan 100 °C voordat het kookt.

Verdampen kost veel energie, meer dan smelten, omdat elke aantrekking tot naburige moleculen verbroken moet worden en niet alleen losser gemaakt. Voor water is de verdampingsenthalpie 44.01 kJ/mol bij 25 °C en 40.67 kJ/mol bij het kookpunt. Vergelijk dat met 6.01 kJ/mol om ijs te smelten: een mol water koken kost bijna zeven keer zoveel energie als smelten. Condensatie, van gas naar vloeistof, geeft die energie terug, en daarom is een verbranding door stoom erger dan door water van dezelfde temperatuur.

De vloeistof overslaan

Sommige vaste stoffen worden rechtstreeks gas. Dat is sublimatie. Droogijs, vaste koolstofdioxide, verdwijnt bij kamertemperatuur langzaam zonder een plas achter te laten. NIST-gegevens laten zien waarom: koolstofdioxide kan alleen vloeibaar zijn boven 5.185 bar, ongeveer vijf keer de normale luchtdruk, dus bij 1 atm gaat het rechtstreeks van vaste stof naar gas bij ongeveer −78 °C. De sublimatie-enthalpie is 26.1 kJ/mol. De omgekeerde overgang, van gas rechtstreeks naar vaste stof, is rijpen. Rijp op een autoruit tijdens een koude, heldere nacht ontstaat zo.