Diese Frage hängt mit der Frage „Wie können Dinge unterhalb ihres Siedepunkts verdampfen?“ zusammen, die wir oft hören. Und es ist eine gute Frage, weil sie darauf hinweist, dass die Art und Weise, wie wir den Schülern die Phasen der Materie vor dem Studium beibringen, nicht die ganze Geschichte ist. Vergessen Sie also zunächst alles, was Sie über die verschiedenen Phasen der Materie zu wissen glaubten…

Okay, beginnen wir mit einer kleinen Tangente, um einige wichtige Informationen zu vermitteln: Bei Gasen gibt es ein Konzept, das als „Partialdruck“ bekannt ist. Das bedeutet, dass man bei vielen Konzepten und Berechnungen jedes einzelne Gas in einem Gasgemisch so behandeln kann, als wäre es für sich allein. Ein konkretes Beispiel: Trockene Luft besteht (ungefähr) zu 80 % aus Stickstoff und zu 20 % aus Sauerstoff und hat auf Meereshöhe einen Druck von etwa 15 Pfund pro Quadratzoll (PSI). Das bedeutet, dass der Partialdruck von Stickstoff 12 PSI (80 % von 15) und der Partialdruck von Sauerstoff 3 PSI (20 % von 15) beträgt. Der Mensch braucht Sauerstoff zum Atmen, und wir können in normaler Luft auf Meereshöhe mit diesem Druck von 100 hPa problemlos atmen. Wir könnten jedoch genauso leicht atmen, wenn wir 100 % Sauerstoff bei einem Druck von nur 3 PSI einatmen. Das liegt daran, dass die Übertragung von Sauerstoff in unsere Lungen nur vom Partialdruck des Sauerstoffs abhängt, der in jedem Fall derselbe ist.

Okay, genug vom Partialdruck, er hat nur am Rande damit zu tun. Nun zu der Erklärung:

In der Schule wird uns beigebracht, dass Feststoffe unterhalb des Gefrierpunkts fest bleiben und Flüssigkeiten zwischen dem Schmelz- und Siedepunkt flüssig bleiben. Das ist eine unverfrorene Lüge. Jeder feste oder flüssige Stoff, der einem Gas oder einem Vakuum ausgesetzt ist, existiert auch als Dampf, und zwar bei jeder Temperatur. Die Menge des Dampfes wird durch eine Größe beschrieben, die als Dampfdruck bezeichnet wird. Bei flüssigem Wasser ist der Dampfdruck der Partialdruck, bei dem sich Flüssigkeit und Dampf im Gleichgewicht befinden: Es findet keine Nettoverdampfung mehr statt, wenn der Partialdruck des Wasserdampfes, der das flüssige Wasser umgibt, gleich dem Dampfdruck ist. Für festes Wasser (Eis) ergibt sich das gleiche Bild, aber ersetzen Sie „flüssig“ durch „fest“ und „Verdampfung“ durch „Sublimation“.

(Anmerkung: Ich werde in dieser Erklärung von Wasser sprechen, um die Formulierung einfacher zu halten, aber denken Sie daran, dass alles, was ich von nun an über Wasser sage, für so ziemlich jeden anderen Stoff auf der Welt gilt)

Der Dampfdruck ist kein konstanter Wert. Er ändert sich nach einer Formel, von der viele Meteorologiestudenten Alpträume haben: der Clausius-Clapeyron-Beziehung. Die Einzelheiten sind nicht wichtig: Wichtig ist, dass der Dampfdruck mit steigender Temperatur zunimmt. Wärmere Temperaturen bedeuten, dass mehr Wasser in Dampfform existieren kann.

Es gibt ein Beispiel für den Dampfdruck, das Sie wahrscheinlich schon kennen: die relative Luftfeuchtigkeit. Wenn die Wettervorhersage sagt, dass die relative Luftfeuchtigkeit 80 % beträgt, bedeutet das, dass der Partialdruck des Wasserdampfs, der sich bereits in der Atmosphäre befindet, 80 % des Sättigungsdampfdrucks für diese Temperatur beträgt. Wenn die Temperatur sinkt, aber die Menge des Wasserdampfs gleich bleibt, steigt die relative Luftfeuchtigkeit. Und wenn die Temperatur weit genug sinkt, ist der Partialdruck des Wassers in der Atmosphäre gleich dem Dampfdruck: eine relative Luftfeuchtigkeit von 100 %. Jede weitere Abkühlung führt zu Kondensation oder, wenn die Temperatur unter 0 Grad Celsius liegt, zu festem Reif auf den Oberflächen.

Warum ist im Phasendiagramm von Wasser immer die Rede davon, dass für die Sublimation ein extrem niedriger Druck erforderlich ist? Nun, das ist leichter zu erklären, wenn man zuerst an das Sieden denkt. Ich meine, denken Sie mal kurz darüber nach: Warum erreicht eine Substanz, deren Verdampfungsrate gleichmäßig ansteigt, bei einer bestimmten Temperatur plötzlich den Siedepunkt?

Das ist ganz einfach! Der Siedepunkt einer Flüssigkeit ist die Temperatur, bei der der Dampfdruck gleich dem gesamten atmosphärischen Druck ist. Selbst wenn dein Raum nur mit Wasserdampf gefüllt ist, wird der Partialdruck des Wassers in deiner Umgebung geringer sein als der Dampfdruck, es sei denn, du erhöhst den Druck in deiner Umgebung, so dass sich die gesamte Flüssigkeit durch Sieden in ein Gas verwandelt. Nebenbei bemerkt ist dies der Grund, warum der Siedepunkt von Wasser in der Höhe niedriger ist: Der Luftdruck ist niedriger, so dass die Temperatur, bei der der Dampfdruck von Wasser gleich dem Umgebungsdruck ist, ebenfalls niedriger ist. Und wenn man sich zu immer niedrigeren Umgebungsdrücken begibt, wie z. B. auf die Marsoberfläche, ist der Druck schließlich so niedrig, dass der Dampfdruck von Wasser sogar unter 0 °C dem Umgebungsdruck entspricht, so dass Wasser nicht einmal warm genug werden kann, um flüssig zu werden, bevor es sublimiert!

So, wenn man das alles zu einer Antwort auf Ihre Frage zusammenfasst: Wasser muss weder seinen „Siedepunkt“ erreichen, um zu verdampfen, noch muss es unter sehr niedrigem Druck stehen, um zu sublimieren. Verschüttetes Wasser wird immer ein wenig verdampfen, und ein Eisblock wird immer ein wenig sublimieren (lassen Sie einen Eiswürfel mehrere Monate in einem Gefrierschrank an einem trockenen Ort, und Sie werden sehen, wie er schrumpft!), da der Partialdruck von Wasserdampf in der Luft fast immer geringer ist als der Dampfdruck von Wasser (es sei denn, es ist ein sehr feuchter Tag mit 100 % Luftfeuchtigkeit, in diesem Fall wird Ihr verschüttetes Wasser einfach dort bleiben).

Und schließlich ein tl;dr:

  • Alle flüssigen (festen) Stoffe verdunsten (sublimieren), bis sie die sie umgebende Luft gesättigt haben (obwohl es dafür keine Luft geben muss); die Menge, die verdunsten (sublimieren) kann, hängt von der Temperatur ab.

Ich habe diesen Beitrag begonnen, indem ich ihn von einem alten Beitrag übernommen habe, den ich vor einer Weile geschrieben habe, und es hat sich herausgestellt, dass es etwas schwieriger ist, ihn anzupassen und trotzdem verständlich zu bleiben. Wenn Sie weitere Fragen haben, lassen Sie es mich bitte wissen!

Ein paar weitere Quellen:

  • Crashkurs in Partialdrücken und Dampfdruck
  • Der Bergeron-Prozess: Die meisten Niederschläge auf der Welt verdanken wir der Tatsache, dass es einen großen Unterschied zwischen den Dampfdrücken von Eis und flüssigem Wasser gibt.
  • Dampfdruck, erklärt von einem Texaner (eine prägnantere und möglicherweise bessere Erklärung als meine)
  • Ein Beispiel aus der Praxis: die McMurdo Dry Valleys in der Antarktis. Obwohl die Region fast nie über den Gefrierpunkt steigt, gibt es dort nichts als nackten Fels, da jeder Schnee, der fällt, unter den extrem trockenen Bedingungen schnell sublimiert.
  • Ein weiteres Beispiel aus der Praxis: Gefriergetrocknete Lebensmittel werden auf Gefriertemperaturen gesenkt und dann in ein Vakuum gelegt, um den Sublimationsprozess zu beschleunigen.

*Bearbeitet, um ein paar weitere Beispiele aus der Praxis hinzuzufügen