To jest związane z pytaniem „jak rzeczy mogą parować poniżej ich temperatury wrzenia?”, które często dostajemy. I jest to dobre pytanie, ponieważ wskazuje, że sposób, w jaki uczymy o fazach materii studentów przed studiami, nie jest całą historią. Tak więc, aby rozpocząć, zapomnij wszystko, co myślałeś, że wiesz o różnych fazach materii …

Dobra, zacznijmy od małej stycznej, aby dać kilka ważnych informacji związanych: W gazach, istnieje pojęcie znane jako „ciśnienie cząstkowe”. Oznacza to, że dla wielu pojęć i obliczeń, można traktować każdy pojedynczy gaz w mieszaninie gazów tak, jakby był sam. Jako konkretny przykład: Suche powietrze to (w przybliżeniu) 80% Azotu i 20% Tlenu, i pod ciśnieniem około 15 funtów na cal kwadratowy (PSI) na poziomie morza. Oznacza to, że ciśnienie parcjalne azotu wynosi 12 PSI (80% z 15), a ciśnienie parcjalne tlenu 3 PSI (20% z 15). Ludzie potrzebują tlenu do oddychania i możemy z łatwością oddychać w normalnym powietrzu na poziomie morza, przy tym ciśnieniu 100 hPa. Jednak równie dobrze moglibyśmy oddychać, gdybyśmy wdychali 100% tlenu przy ciśnieniu wynoszącym zaledwie 3 PSI. To dlatego, że transfer tlenu do naszych płuc zależy tylko od ciśnienia parcjalnego tlenu, które jest takie samo w każdym przypadku.

Okay, dość o ciśnieniu parcjalnym, to jest tylko stycznie związane. Teraz przejdźmy do wyjaśnienia:

Uczy się nas w szkole, że ciała stałe pozostają ciałami stałymi poniżej temperatury zamarzania, a ciecze pozostają cieczami pomiędzy punktami topnienia i wrzenia. Jest to zuchwałe kłamstwo. Każda substancja stała lub ciekła, która jest wystawiona na działanie gazu lub próżni, istnieje również jako para, w każdej temperaturze. Ilość pary jest opisywana przez wielkość zwaną ciśnieniem pary. Dla wody w stanie ciekłym, ciśnienie pary jest ciśnieniem parcjalnym, przy którym ciecz i para są w równowadze: nie nastąpi parowanie netto, gdy ciśnienie parcjalne pary wodnej otaczającej wodę w stanie ciekłym jest równe ciśnieniu pary. Dla wody stałej (lód), obraz jest taki sam, ale zastąpić „ciecz” z „stałe”, i „parowanie” z „sublimacji”.

(Uwaga: Mam zamiar mówić o wodzie dla tego wyjaśnienia, aby utrzymać sformułowania prostsze, ale po prostu pamiętać, że wszystko, co mówię od teraz na temat wody stosuje się do dość dużo każdej innej substancji na świecie)

Ciśnienie pary nie jest wartością stałą. Zmienia się zgodnie z formułą, o której wielu studentów meteorologii ma koszmary: relacja Clausiusa-Clapeyrona. Szczegóły nie są ważne: ważne jest to, że prężność pary wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Cieplejsze temperatury oznaczają, że więcej wody może istnieć w postaci pary.

Jest przykład ciśnienia pary w codziennym użyciu, z którym prawdopodobnie jesteś już zaznajomiony: wilgotność względna. Kiedy prognoza pogody mówi, że wilgotność względna wynosi 80%, oznacza to, że ciśnienie cząstkowe pary wodnej już istniejącej w atmosferze wynosi 80% ciśnienia pary nasyconej dla tej temperatury. Jeśli temperatura spada, ale ilość pary wodnej pozostaje taka sama, to wilgotność względna wzrasta. A jeśli temperatura spadnie wystarczająco, ciśnienie cząstkowe wody w atmosferze będzie równe ciśnieniu pary wodnej: wilgotność względna wyniesie 100%. Każde dalsze ochłodzenie będzie oznaczać, że nastąpi kondensacja, lub jeśli temperatura jest poniżej 0 stopni C (32 stopnie F), stały szron odłoży się na powierzchniach.

Dlaczego więc diagram fazowy wody zawsze mówi o potrzebie super niskiego ciśnienia do sublimacji? Cóż, to jest łatwiejsze do wyjaśnienia, jeśli najpierw pomyśleć o wrzenia. To znaczy, pomyśl o tym przez chwilę: Dlaczego, jeśli jest ten płynny wzrost w jak wiele substancji paruje, to osiąga pewną temperaturę i nagle wszystko się gotuje?

To proste! Temperatura wrzenia cieczy jest temperaturą, w której ciśnienie pary jest równe całkowitemu ciśnieniu atmosferycznemu. Więc nawet jeśli twój pokój jest wypełniony tylko parą wodną, chyba że zwiększysz ciśnienie w swoim otoczeniu, ciśnienie cząstkowe wody w twoim otoczeniu będzie mniejsze niż ciśnienie pary, więc cała twoja ciecz zamieni się w gaz, gotując się. Na marginesie, to dlatego temperatura wrzenia wody jest niższa na wysokościach: ciśnienie powietrza jest niższe, więc temperatura, w której ciśnienie pary wody jest równa ciśnieniu otoczenia będzie również niższa. A jeśli pójdziesz do coraz niższych ciśnień otoczenia, jak powiedzmy, powierzchni Marsa, w końcu ciśnienie jest tak niskie, że ciśnienie pary wody jest równa ciśnieniu otoczenia nawet poniżej 0C (32F), więc woda nigdy nie może nawet dostać się na tyle ciepło, aby włączyć do cieczy przed sublimacji!

Więc, stawiając to wszystko razem w odpowiedzi na twoje pytanie: Woda nie musi osiągnąć swojej „temperatury wrzenia”, aby wyparować, ani nie musi być pod naprawdę niskim ciśnieniem, aby sublimować. Rozlana woda zawsze będzie trochę parować, a blok lodu zawsze będzie trochę sublimować (zostaw kostkę lodu w zamrażarce na kilka miesięcy w suchym miejscu, a zobaczysz, że się skurczy!), ponieważ ciśnienie cząstkowe pary wodnej w powietrzu jest prawie zawsze mniejsze niż ciśnienie pary wodnej (chyba że, oczywiście, jest to bardzo wilgotny dzień ze 100% wilgotnością, w którym to przypadku rozlana woda po prostu tam zostanie).

I na koniec, tl;dr:

  • Wszystkie substancje ciekłe (stałe) będą parować (sublimować) dopóki nie nasycą powietrza wokół nich (chociaż nie musi być powietrza, aby to się stało); ilość, która może wyparować (sublimować) zależy od temperatury.

Zacząłem ten post, dostosowując go ze starego postu, który napisałem jakiś czas temu, i okazało się, że jest to nieco trudniejsze do dostosowania, pozostając jednocześnie zrozumiałym. Jeśli masz jakieś pytania uzupełniające, proszę daj mi znać!

Kilka innych zasobów:

  • Kurs zderzeniowy w ciśnieniach cząstkowych i ciśnieniu pary
  • Proces Bergerona: zawdzięczamy większość opadów, które spadają na całym świecie temu, że istnieje duża różnica między ciśnieniem pary lodu i ciekłej wody.
  • Ciśnienie pary wodnej wyjaśnione przez Teksańczyka (bardziej zwięzłe i prawdopodobnie lepsze wyjaśnienie niż moje)
  • Przykład z prawdziwego świata: Suche Doliny McMurdo na Antarktydzie. Mimo, że region ten prawie nigdy nie przekracza temperatury zamarzania, nie ma tam nic poza gołymi skałami, ponieważ każdy spadający śnieg szybko sublimuje w ekstremalnie suchych warunkach.
  • Inny przykład ze świata rzeczywistego: liofilizowana żywność jest obniżana do temperatury zamarzania, a następnie umieszczana w próżni, aby przyspieszyć proces sublimacji.

*Edytowane, aby dodać kilka innych przykładów ze świata rzeczywistego