Ez kapcsolódik a “hogyan tudnak a dolgok a forráspontjuk alatt elpárologni?” kérdéshez, amit sokszor kapunk. És ez egy jó kérdés, mert rámutat arra, hogy az, ahogyan az anyag fázisait tanítjuk a diákoknak a főiskola előtt, nem a teljes történet. Kezdjük tehát azzal, hogy felejtsünk el mindent, amit az anyag különböző fázisairól tudni véltünk…

Oké, kezdjük egy kis kitérővel, hogy néhány fontos kapcsolódó információt adjunk: A gázoknál van egy fogalom, amit “parciális nyomásnak” hívnak. Ez azt jelenti, hogy sok fogalom és számítás esetében egy gázkeverékben minden egyes gázt úgy kezelhetsz, mintha önmagában lenne. Konkrét példaként: A száraz levegő (nagyjából) 80%-ban nitrogén és 20%-ban oxigén, és tengerszinten körülbelül 15 font/négyzethüvelyk (PSI) nyomáson van. Ez azt jelenti, hogy a nitrogén parciális nyomása 12 PSI (a 15-ből 80%), az oxigén parciális nyomása pedig 3 PSI (a 15-ből 20%). Az embereknek oxigénre van szükségük a légzéshez, és a tengerszint feletti normál levegőben, ezen a 100 hPa nyomáson könnyedén lélegezhetünk. Azonban ugyanilyen könnyen lélegezhetünk, ha 100%-os oxigént lélegzünk be mindössze 3 PSI nyomáson. Ennek az az oka, hogy az oxigén átadása a tüdőnkbe csak az oxigén parciális nyomásától függ, ami minden esetben ugyanaz.

Oké, elég a parciális nyomásból, ez csak érintőlegesen kapcsolódik. Most pedig jöjjön a magyarázat:

Az iskolában azt tanítják nekünk, hogy a szilárd anyagok a fagyáspont alatt szilárd anyagok maradnak, a folyadékok pedig az olvadás- és forráspont között maradnak folyadékok. Ez egy szemenszedett hazugság. Minden szilárd vagy folyékony anyag, amely gáznak vagy vákuumnak van kitéve, gőzként is létezik, minden hőmérsékleten. A gőz mennyiségét a gőznyomás nevű mennyiséggel írjuk le. Folyékony víz esetében a gőznyomás az a parciális nyomás, amelynél a folyadék és a gőz egyensúlyban van: nem történik több nettó párolgás, ha a folyékony vizet körülvevő vízgőz parciális nyomása megegyezik a gőznyomással. A szilárd víz (jég) esetében a kép ugyanez, de a “folyékony” helyett “szilárd”, a “párolgás” helyett pedig “szublimáció”.

(megjegyzés: ebben a magyarázatban a vízről fogok beszélni, hogy egyszerűbb legyen a megfogalmazás, de ne feledjük, hogy minden, amit mostantól a vízről mondok, a világ nagyjából minden más anyagára vonatkozik)

A gőznyomás nem egy állandó érték. Egy olyan képlet szerint változik, amitől sok meteorológushallgatónak rémálmai vannak: a Clausius-Clapeyron összefüggés. A konkrétumok nem fontosak: a lényeg az, hogy a gőznyomás a hőmérséklet növekedésével nő. A melegebb hőmérséklet azt jelenti, hogy több víz tud gőz formájában létezni.

A gőznyomásra van egy mindennapos példa, amit valószínűleg már ismer: a relatív páratartalom. Amikor az időjárás-előrejelzés azt mondja, hogy a relatív páratartalom 80%, az azt jelenti, hogy a légkörben már meglévő vízgőz parciális nyomása 80%-a az adott hőmérsékletre vonatkozó telített gőznyomásnak. Ha a hőmérséklet csökken, de a vízgőz mennyisége nem változik, akkor a relatív páratartalom nő. Ha pedig a hőmérséklet eléggé lecsökken, akkor a légkörben a víz parciális nyomása megegyezik a gőznyomással: a relatív páratartalom 100%-os lesz. Bármilyen további lehűlés azt jelenti, hogy kondenzáció lép fel, vagy ha a hőmérséklet 0 C fok (32 F) alatt van, szilárd fagy rakódik le a felületeken.

Szóval, miért beszél a víz fázisdiagramja mindig arról, hogy a szublimációhoz szuperalacsony nyomásra van szükség? Nos, ezt könnyebb megmagyarázni, ha először a forralásra gondolunk. Úgy értem, gondoljatok bele egy pillanatra: Ha egyenletesen növekszik, hogy egy anyagból mennyi párolog, akkor miért van az, hogy ha elér egy bizonyos hőmérsékletet, akkor hirtelen minden elforr?

Ez egyszerű! Egy folyadék forráspontja az a hőmérséklet, ahol a gőznyomás megegyezik a teljes légköri nyomással. Tehát még ha a szobád tele is van vízgőzzel, hacsak nem növeled a környezeted nyomását, a környezetedben a víz parciális nyomása kisebb lesz, mint a gőznyomás, tehát az összes folyadékod elforrva gázzá fog alakulni. Mellékesen megjegyzem, hogy ezért alacsonyabb a víz forráspontja a tengerszint feletti magasságban: a levegő nyomása alacsonyabb, így az a hőmérséklet, amelyen a víz gőznyomása megegyezik a környezeti nyomással, szintén alacsonyabb lesz. És ha egyre alacsonyabb és alacsonyabb környezeti nyomás alá megyünk, mint mondjuk a Mars felszínén, végül a nyomás olyan alacsony lesz, hogy a víz gőznyomása még 0C (32F) alatt is megegyezik a környezeti nyomással, így a víz még csak nem is tud elég meleg lenni ahhoz, hogy folyadékká váljon, mielőtt szublimálódna!

Szóval, mindezt összefűzve egy válasz a kérdésedre: A víznek nem kell elérnie a “forráspontját” ahhoz, hogy elpárologjon, és nem is kell nagyon alacsony nyomáson lennie ahhoz, hogy szublimálódjon. A kiömlött víz mindig elpárolog egy kicsit, és egy jégtömb mindig szublimál egy kicsit (hagyj egy jégkockát a fagyasztóban több hónapig egy száraz helyen, és látni fogod, hogy zsugorodik!), mivel a vízgőz parciális nyomása a levegőben szinte mindig kisebb, mint a víz gőznyomása (kivéve persze, ha nagyon párás nap van 100%-os páratartalommal, amely esetben a kiömlött víz csak ott marad).

És végül, egy tl;dr:

  • Minden folyékony (szilárd) anyag addig párolog (szublimál), amíg nem telíti a körülötte lévő levegőt (bár ehhez nem kell, hogy legyen levegő); a hőmérséklet függvénye, hogy mennyi párolog (szublimál);

Ezt a bejegyzést egy régi bejegyzésem adaptálásával kezdtem, amit nemrég írtam, és kiderült, hogy kicsit nehezebb úgy adaptálni, hogy közben érthető maradjon. Ha bármilyen további kérdésed van, kérlek, jelezd!

Még néhány forrás:

  • Kurzus a parciális nyomásokról és a gőznyomásról
  • A Bergeron-folyamat: A világszerte lehulló csapadék nagy részét annak köszönhetjük, hogy a jég és a folyékony víz gőznyomása között nagy különbség van.
  • A gőznyomás egy texasi magyarázatában (tömörebb és talán jobb magyarázat, mint az enyém)
  • Egy valós példa: az antarktiszi McMurdo Dry Valleys. Annak ellenére, hogy a térségben szinte soha nem megy fagypont fölé a hőmérséklet, csak csupasz sziklák vannak, mivel minden lehulló hó gyorsan elszublimál a rendkívül száraz körülmények között.
  • Egy másik valós példa: a fagyasztva szárított élelmiszereket fagypont alatti hőmérsékletre csökkentik, majd vákuumba helyezik, hogy felgyorsítsák a szublimációs folyamatot.

*Szerkesztve néhány további valós példával