これは、私たちがよく受ける「物が沸点以下で蒸発するのはどうしてか」という質問と関連しています。 そして、これは良い質問です。なぜなら、大学入学前の学生に物質の相を教える方法が、すべてではないことを指摘しているからです。 そこでまず、物質のさまざまな相について知っていると思っていたことをすべて忘れてください。

さて、重要な関連情報を与えるために、少し余談から始めましょう。 気体には、「分圧」という概念があります。 これは、多くの概念や計算において、混合気体の中の個々の気体を、それ自体であるかのように扱うことができることを意味します。 具体的な例として 乾燥した空気は（おおよそ）80%の窒素と20%の酸素で、海抜高度で約15ポンド/平方インチ（PSI）の圧力がかかっています。 つまり、窒素の分圧は12PSI（15気圧の80％）、酸素の分圧は3PSI（15気圧の20％）である。 人間は呼吸するために酸素を必要とするが、この100hPaの気圧の海面では、普通の空気で楽に呼吸ができる。 しかし、わずか3PSIの圧力で100％の酸素を吸えば、私たちは同じように楽に呼吸ができる。 これは、肺への酸素の移動は酸素分圧にのみ依存し、それはいずれの場合も同じだからです。

さて、分圧についてはもう十分でしょう、ほんの少ししか関係ありません。 では、解説に入ります。

学校では、固体は凝固点以下では固体のまま、液体は融点と沸点の間で液体のままだと教わります。 これは真っ赤なウソです。 気体や真空にさらされた固体や液体の物質は、どの温度でも蒸気として存在します。 蒸気の量は蒸気圧と呼ばれる量で表される。 液体の水の場合、蒸気圧は液体と蒸気が平衡する分圧であり、液体の水を取り囲む水蒸気の分圧が蒸気圧と等しくなれば、それ以上正味の蒸発は起こらない。 固体の水(氷)の場合も同じですが、「液体」を「固体」に、「蒸発」を「昇華」に置き換えてください。

(注：この説明では表現を簡単にするために水について話しますが、これから水について述べることは、世界中のほとんどすべての物質について当てはまることを心に留めておいてください)

蒸気圧は一定した値ではありません。 多くの気象学の学生が悪夢にうなされる公式、すなわちクラウジウス-クラペイロンの関係に従って変化します。 重要なのは、蒸気圧は温度の上昇に伴って増加するということです。 気温が高いほど、より多くの水が水蒸気の形で存在できることになる。

蒸気圧の例として、皆さんもよくご存知の「相対湿度」があります。 天気予報で相対湿度が80％というのは、大気中にすでに存在する水蒸気の分圧が、その気温の飽和蒸気圧の80％であることを意味します。 気温が下がっても水蒸気の量が変わらなければ、相対湿度は上がります。 そして、温度が十分に下がると、大気中の水の分圧は蒸気圧と同じになり、相対湿度は100％になる。 それ以上冷えると結露が起こり、0℃以下になると表面に霜がつきます。

では、なぜ水の相図は昇華に超低圧が必要だといつも言っているのでしょうか。 それはまず沸騰を考えると説明しやすいですね。 つまり、ある物質が蒸発する量が滑らかに増加するとして、ある温度に達すると突然すべてが沸騰するのはなぜか、ということを考えてみてください。

それは簡単です! 液体の沸点は、蒸気圧が全大気圧に等しくなる温度です。 つまり、部屋が水蒸気だけで満たされていても、周囲の気圧を上げない限り、環境中の水の分圧は蒸気圧より小さくなるので、液体はすべて沸騰して気体になるんだ。 余談ですが、高度が高いと水の沸点が低くなるのはこのためです。空気の圧力が低いので、水の蒸気圧が周囲の圧力と等しくなる温度も低くなります。 そして、例えば火星の表面のように周囲圧力がどんどん低くなっていくと、最終的には0℃以下でも水の蒸気圧が周囲圧力と等しくなるくらい圧力が低くなるので、水は昇華する前に液体になるくらい温まることもできません！

そこで、すべてをまとめてあなたの質問への答えにしますと、このようになります。 水は蒸発するために「沸点」に達する必要はありませんし、昇華するために非常に低い圧力である必要もありません。 こぼれた水は常に少し蒸発し、氷の塊は常に少し昇華します（乾燥した場所で数ヶ月間冷凍庫に氷を入れると、縮むのがわかります！）。空気中の水蒸気の分圧は、ほとんど常に水の蒸気圧より低いからです（もちろん、湿度100%の非常に湿度の高い日でなければ、こぼれた水はそこに留まります）。

  • すべての液体（固体）物質は、周囲の空気が飽和するまで蒸発（昇華）します（ただし、これが起こるには空気がある必要はありません）。蒸発（昇華）できる量は温度に依存します。

この投稿は、少し前に書き上げた古い投稿から転用することから始めましたが、理解できる状態を維持しながら転用するには少し難しいことが判明しました。 もしフォローアップの質問があれば、ぜひ教えてください！

A few more resources:

  • Crash course in partial pressures and vapor pressure
  • The Bergeron Process: 我々が世界中で降る降水の大部分は、氷と液体の水の蒸気圧に大きな差があることのおかげなのです。
  • テキサス人が説明する蒸気圧（私より簡潔で、おそらく良い説明）
  • 実際の例として、南極のマクマード乾燥谷があります。 この地域はほとんど氷点下になることがないにもかかわらず、岩がむき出しになっています。雪が降っても、極度に乾燥しているため、すぐに昇華してしまいます。
  • 別の実例として、フリーズドライ食品は氷点下まで下げ、真空状態にして昇華プロセスを加速させます。

*Edited to add a few real-orld examples