Tämä liittyy kysymykseen ”miten aineet voivat haihtua alle kiehumispisteensä?”, jota saamme usein. Ja se on hyvä kysymys, koska se osoittaa, että tapa, jolla opetamme aineen faaseja oppilaille ennen yliopistoa, ei ole koko tarina. Unohtakaa siis aluksi kaikki, mitä luulitte tietävänne aineen eri faaseista…

Okei, aloitetaan pienellä tangentilla antaaksemme tärkeää asiaan liittyvää tietoa: Kaasuissa on käsite, joka tunnetaan nimellä ”osapaine”. Tämä tarkoittaa sitä, että monissa käsitteissä ja laskelmissa voidaan käsitellä jokaista yksittäistä kaasua kaasuseoksessa ikään kuin se olisi yksinään. Konkreettinen esimerkki: Kuiva ilma on (karkeasti ottaen) 80 % typpeä ja 20 % happea, ja sen paine merenpinnan tasolla on noin 15 puntaa neliötuumaa kohti (PSI). Tämä tarkoittaa, että typen osapaine on 12 PSI (80 % 15:stä) ja hapen osapaine on 3 PSI (20 % 15:stä). Ihminen tarvitsee happea hengittääkseen, ja voimme hengittää helposti tavallisessa ilmassa merenpinnan tasolla, kun paine on 100 hPa. Voisimme kuitenkin hengittää yhtä helposti, jos hengitämme 100 % happea vain 3 PSI:n paineessa. Tämä johtuu siitä, että hapen siirtyminen keuhkoihimme riippuu vain hapen osapaineesta, joka on kummassakin tapauksessa sama.

Okei, riittää kun puhutaan osapaineesta, se liittyy siihen vain tangentiaalisesti. Nyt selityksen pariin:

Meille opetetaan koulussa, että kiinteät aineet pysyvät kiinteinä aineina jäätymispisteen alapuolella ja nesteet pysyvät nesteinä sulamis- ja kiehumispisteiden välillä. Tämä on julkea valhe. Jokainen kiinteä tai nestemäinen aine, joka altistuu kaasulle tai tyhjiölle, on olemassa myös höyrynä, kaikissa lämpötiloissa. Höyryn määrää kuvataan suureella, jota kutsutaan höyrynpaineeksi. Nestemäisen veden osalta höyrynpaine on osapaine, jossa neste ja höyry ovat tasapainossa: nettohaihtumista ei enää tapahdu, kun nestemäistä vettä ympäröivän vesihöyryn osapaine on yhtä suuri kuin höyrynpaine. Kiinteän veden (jään) osalta kuva on sama, mutta korvaa ”neste” sanalla ”kiinteä” ja ”haihtuminen” sanalla ”sublimoituminen”.

(Huom: puhun tässä selityksessä vedestä, jotta sanamuoto olisi yksinkertaisempi, mutta pidä mielessä, että kaikki, mitä sanon tästä eteenpäin vedestä, pätee melkein kaikkiin muihinkin aineisiin maailmassa)

Höyrynpaine ei ole vakioarvo. Se muuttuu kaavan mukaan, josta monet meteorologian opiskelijat näkevät painajaisia: Clausius-Clapeyronin suhde. Yksityiskohdat eivät ole tärkeitä: tärkeää on, että höyrynpaine kasvaa lämpötilan noustessa. Lämpimämpi lämpötila tarkoittaa, että vettä voi olla enemmän höyryn muodossa.

Höyrynpaineesta on jokapäiväisessä käytössä esimerkki, jonka luultavasti jo tunnetkin: suhteellinen kosteus. Kun sääennusteessa sanotaan, että suhteellinen kosteus on 80 %, se tarkoittaa, että ilmakehässä jo olevan vesihöyryn osapaine on 80 % kyseisen lämpötilan kylläisen höyryn paineesta. Jos lämpötila laskee, mutta vesihöyryn määrä pysyy samana, suhteellinen kosteus nousee. Ja jos lämpötila laskee riittävästi, veden osapaine ilmakehässä on yhtä suuri kuin höyrynpaine: suhteellinen kosteus on 100 %. Jäähtyminen edelleen tarkoittaa, että tapahtuu kondensoitumista, tai jos lämpötila on alle 0 astetta C (32 astetta F), pinnoille laskeutuu kiinteää pakkasta.

Miksi siis veden faasidiagrammissa puhutaan aina siitä, että sublimoitumiseen tarvitaan erittäin matala paine? No, se on helpompi selittää, jos ajatellaan ensin kiehumista. Tarkoitan, että miettikää hetki: Miksi, jos aineen haihtumisen määrä kasvaa tasaisesti, se saavuttaa tietyn lämpötilan ja yhtäkkiä kaikki kiehuu pois?

Se on helppoa! Nesteen kiehumispiste on lämpötila, jossa höyrynpaine on yhtä suuri kuin ilmakehän kokonaispaine. Eli vaikka huoneesi olisikin täynnä pelkkää vesihöyryä, jos et nosta ympäristön painetta, veden osapaine ympäristössäsi tulee olemaan pienempi kuin höyrynpaine, joten kaikki nesteesi muuttuu kaasuksi kiehumalla pois. Sivuhuomautuksena mainittakoon, että tämän vuoksi veden kiehumispiste on alhaisempi korkealla: ilmanpaine on alhaisempi, joten lämpötila, jossa veden höyrynpaine on yhtä suuri kuin ympäristön paine, on myös alhaisempi. Ja jos mennään yhä alhaisempiin ja alhaisempiin ympäristön paineisiin, kuten vaikkapa Marsin pinnalla, lopulta paine on niin alhainen, että veden höyrynpaine on yhtä suuri kuin ympäristön paine jopa alle 0 C:n (32 F) lämpötilassa, joten vesi ei voi koskaan edes lämmetä tarpeeksi lämpimäksi muuttuakseen nestemäiseksi, ennen kuin se sublimoituu!

Joten, kun tämä kaikki kootaan yhteen vastaukseksi kysymykseenne: Veden ei tarvitse saavuttaa ”kiehumispistettään” haihtuakseen, eikä sen tarvitse olla todella alhaisessa paineessa sublimoituakseen. Kaatunut vesi haihtuu aina hieman, ja jäälohkare sublimoituu aina hieman (jätä jääkuutio pakastimeen useaksi kuukaudeksi kuivaan paikkaan, niin näet sen kutistuvan!), koska vesihöyryn osapaine ilmassa on melkein aina pienempi kuin veden höyrynpaine (paitsi tietysti jos on hyvin kostea päivä, jolloin ilmankosteus on 100 %, jolloin kaadettu vesi vain pysyy siellä).

Viimeiseksi, tl;dr:

  • Kaikki nestemäiset (kiinteät) aineet haihtuvat (sublimoituvat), kunnes ne kyllästävät ympäröivän ilman (tosin ilmaa ei tarvitse olla, jotta näin tapahtuisi); määrä, joka voi haihtua (sublimoitua), riippuu lämpötilasta.

Aloitin tämän postauksen mukauttamalla sen vanhasta postauksesta, jonka kirjoitin jokin aika sitten, ja osoittautui, että on hieman vaikeampi mukauttaa sitä, mutta pysyä silti ymmärrettävänä. Jos sinulla on jatkokysymyksiä, kerro minulle!

Muutama lisälähde:

  • Murskauskurssi osapaineista ja höyrynpaineista
  • Bergeronin prosessi: Suurimman osan ympäri maailmaa satavista sateista saamme kiittää siitä, että jään ja nestemäisen veden höyrynpaineiden välillä on suuri ero.
  • Höyrynpaine teksasilaisen selityksenä (tiiviimpi ja mahdollisesti parempi selitys kuin minun)
  • Reaalimaailman esimerkki: McMurdon kuivat laaksot Etelämantereella. Vaikka alueella ei melkein koskaan ole pakkasta korkeammat lämpötilat, siellä on pelkkää paljasta kalliota, koska kaikki putoava lumi sublimoituu nopeasti äärimmäisen kuivissa olosuhteissa.
  • Toinen reaalimaailman esimerkki: pakastekuivattuja elintarvikkeita lasketaan pakkaslämpötiloihin ja asetetaan sen jälkeen tyhjiöön sublimoitumisprosessin kiihdyttämiseksi.
  • *Parannettu lisäämällä muutama muu reaalimaailman esimerkki