Dette er relateret til spørgsmålet “hvordan kan ting fordampe under deres kogepunkt?”, som vi får meget. Og det er et godt spørgsmål, fordi det påpeger, at den måde, vi underviser eleverne i stoffets faser på før universitetet, ikke er hele historien. Så til at begynde med skal du glemme alt det, du troede, du vidste om stoffets forskellige faser …

Okay, lad os starte med en lille tangent for at give nogle vigtige relaterede oplysninger: I gasser er der et begreb kendt som “partialtryk”. Det betyder, at man i forbindelse med mange begreber og beregninger kan behandle hver enkelt gas i en blanding af gasser som om den var for sig selv. Som et konkret eksempel: Tør luft består (groft sagt) af 80 % kvælstof og 20 % ilt og har et tryk på ca. 15 pund pr. kvadrattomme (PSI) i havoverfladen. Det betyder, at kvælstofs partialtryk er 12 PSI (80 % af 15) og iltens partialtryk er 3 PSI (20 % af 15). Mennesker har brug for ilt for at trække vejret, og vi kan sagtens trække vejret i normal luft på havniveau med dette tryk på 100 hPa. Vi kan dog trække vejret lige så let, hvis man indånder 100 % ilt ved et tryk på kun 3 PSI. Det skyldes, at overførslen af ilt til vores lunger kun afhænger af iltens partialtryk, som er det samme i begge tilfælde.

Okay, nok om partialtryk, det er kun tangentielt relateret. Nu til forklaringen:

Vi lærer i skolen, at faste stoffer forbliver faste stoffer under frysepunktet, og at flydende stoffer forbliver flydende stoffer mellem smelte- og kogepunktet. Dette er en fed løgn. Ethvert fast eller flydende stof, der udsættes for en gas eller et vakuum, eksisterer også som en damp ved alle temperaturer. Mængden af damp beskrives ved en størrelse, der kaldes damptrykket. For flydende vand er damptrykket det partialtryk, ved hvilket væsken og dampen er i ligevægt: Der sker ikke mere nettofordampning, når partialtrykket af vanddamp omkring det flydende vand er lig med damptrykket. For fast vand (is) er billedet det samme, men erstat “flydende” med “fast”, og “fordampning” med “sublimering”.

(Bemærk: Jeg vil tale om vand i denne forklaring for at holde ordlyden enklere, men husk på, at alt, hvad jeg siger fra nu af om vand, gælder for stort set alle andre stoffer i verden)

Damptrykket er ikke en konstant værdi. Det ændrer sig i henhold til en formel, som mange meteorologistuderende har mareridt om: Clausius-Clapeyron-relationen. De nærmere detaljer er ikke vigtige: Det, der er vigtigt, er, at damptrykket stiger med stigende temperatur. Varmere temperaturer betyder, at der kan findes mere vand i dampform.

Der er et eksempel på damptryk i brug hver dag, som du sikkert allerede kender: relativ luftfugtighed. Når vejrudsigten siger, at den relative luftfugtighed er 80 %, betyder det, at vanddampens partialtryk, der allerede findes i atmosfæren, er 80 % af det mættede damptryk for den pågældende temperatur. Hvis temperaturen falder, men mængden af vanddamp forbliver den samme, så stiger den relative luftfugtighed. Og hvis temperaturen falder tilstrækkeligt meget, vil vandets partialtryk i atmosfæren være lig med damptrykket: en relativ luftfugtighed på 100 %. Enhver yderligere afkøling vil betyde, at der vil forekomme kondensation, eller hvis temperaturen er under 0 grader C (32 grader F), vil fast frost sætte sig på overfladerne.

Så, hvorfor taler fasediagrammet for vand altid om, at der skal være et superlavt tryk til sublimering? Tja, det er nemmere at forklare, hvis man først tænker på kogning. Jeg mener, tænk over det et øjeblik: Hvorfor, hvis der er denne jævne stigning i hvor meget af et stof der fordamper, når det så en vis temperatur, og pludselig koger det hele væk?

Det er nemt! Kogepunktet for en væske er den temperatur, ved hvilken damptrykket er lig med det samlede atmosfæriske tryk. Så selv hvis dit rum ikke er fyldt med andet end vanddamp, vil vandets partialtryk i dine omgivelser, medmindre du øger trykket i dine omgivelser, være mindre end damptrykket, så al din væske vil blive til en gas ved at koge væk. Som en sidebemærkning er dette grunden til, at vands kogepunkt er lavere i højden: lufttrykket er lavere, så den temperatur, hvor vandets damptryk er lig med det omgivende tryk, vil også være lavere. Og hvis man kommer til lavere og lavere omgivelsestryk, som f.eks. på Mars’ overflade, er trykket til sidst så lavt, at vandets damptryk er lig med det omgivende tryk selv under 0C (32F), så vand kan aldrig blive varmt nok til at blive flydende, før det sublimerer!

Så, når man samler det hele til et svar på dit spørgsmål: Vand behøver ikke at nå sit “kogepunkt” for at fordampe, og det behøver heller ikke at være ved et meget lavt tryk for at sublimere. Spildt vand vil altid fordampe en lille smule, og en isblok vil altid sublimere en lille smule (lad en isterning ligge i en fryser i flere måneder på et tørt sted, og du vil se den krympe!), da vanddampens partialtryk i luften næsten altid er mindre end vands damptryk (Medmindre det selvfølgelig er en meget fugtig dag med 100% luftfugtighed, i så fald vil dit spildte vand bare blive der).

Og til sidst en tl;dr:

  • Alle flydende (faste) stoffer vil fordampe (sublimere) indtil de mætter luften omkring dem (selvom der ikke behøver at være luft for at dette kan ske); mængden der kan fordampe (sublimere) afhænger af temperaturen.

Jeg startede dette indlæg med at tilpasse det fra et gammelt indlæg jeg skrev op for et stykke tid siden, og det viste sig at være lidt sværere at tilpasse samtidig med at det stadig er forståeligt. Hvis du har opfølgende spørgsmål, så sig endelig til!

Et par ressourcer mere:

  • Kursus i partialtryk og damptryk
  • The Bergeron Process: Vi skylder det meste af den nedbør, der falder rundt om i verden, til det faktum, at der er stor forskel på damptrykket for is og flydende vand.
  • Damptryk som forklaret af en texaner (en mere kortfattet og muligvis bedre forklaring end min)
  • Et eksempel fra den virkelige verden: McMurdo Dry Valleys i Antarktis. Selv om området næsten aldrig kommer over frysepunktet, er der ikke andet end nøgne klipper, da al sne, der falder, hurtigt sublimerer væk under de ekstremt tørre forhold.
  • Et andet eksempel fra den virkelige verden: frysetørrede fødevarer sænkes til frysepunktet og placeres derefter i et vakuum for at fremskynde sublimeringsprocessen.

*Redigeret for at tilføje nogle flere eksempler fra den virkelige verden