Cuando el agua se calienta a más de 100 ° C, ¿por qué cambia repentinamente a un gas en lugar de permanecer líquido, pero se vuelve cada vez menos denso?

El agua cambia de estado, a la fase gaseosa, a 100 grados. Celsius solo a presión atmosférica normal a nivel del mar. Si se reduce la presión, cambiará de estado a una presión más baja. Si confina el agua para que su volumen no pueda cambiar, puede aumentar continuamente su temperatura sin ningún cambio de estado.
Como líquido, las fuerzas intermoleculares retienen un estado de organización entre las moléculas que permiten la movilidad, pero dentro de esos campos. Agregar suficiente energía térmica aumenta la dinámica de esa movilidad para que las moléculas se muevan aleatoriamente mayores distancias entre sí. El aumento de presión puede restringir dicha distancia. La evaporación ocurre cuando las moléculas individuales exceden aleatoriamente la energía necesaria para escapar de esos enlaces.

En su punto de ebullición, la presión de vapor de un líquido excede la presión atmosférica. Esto significa que las moléculas en el líquido se mueven tan rápido que escapan al aire como un gas, no solo como un fluido más ligero. En segundo lugar, las moléculas de agua tienen una fuerza de cohesión, lo que significa que la interacción entre las moléculas de agua las mantiene en solución hasta que el movimiento browniano separa. Otro factor es el calor latente de la evaporación. Durante el aumento de temperatura, el líquido absorberá calor pero no mostrará un aumento de temperatura. Durante este tiempo, la estructura molecular del agua se reorganiza a sí misma para que cualquier calor adicional haga que el agua se evapore y se convierta en vapor. Cuando comprime un gas con suficiente presión, puede volver a su estado líquido, pero al hacerlo, el gas emitirá calor que absorbió al pasar de líquido a gas. Este ciclo de evaporación-compresión-licuefacción es el principio de una bomba de calor.

Hay algo que agregar a la respuesta de David Kelly, que obviamente es correcto. El agua (y cualquier otro líquido) puede pasar continuamente del estado líquido al estado gaseoso, siempre que realice los procesos correctos. En la universidad, aprendí lo que llamamos el principio de continuidad de los estados que establece que los líquidos y los gases se pueden recurrir continua y gradualmente entre sí. Uno solo necesita hacer eso en 3 pasos yendo “alrededor” del lugar de dos fases en un diagrama P x V. Debe 1) aumentar la presión a un volumen constante, 2) aumentar el volumen en el nuevo nivel más alto de presión ahora fijo, y 3) disminuir la presión. Al hacerlo, puede pasar de la fase líquida a la fase gaseosa sin pasar en ningún momento por el equilibrio de dos fases que todos conocemos cuando hierve un líquido. Entonces, solo depende de qué secuencia de procesos hacer eso. Busque el principio de expresión de la continuidad de los estados y sus variantes y encontrará muchas cosas.

El agua, a 100 grados, absorbe 540 calorías por gramo antes de convertirse en vapor.

Así, el agua parece detenerse antes de hervir. Esto se llama calor latente.

Además, cuando el vapor vuelve a convertirse en agua, se liberan estas 540 calorías.

Esta es la razón por la cual la cocción al vapor es exitosa y por qué los escaldaduras al vapor son tan malos.