Dit is gerelateerd aan de vraag “hoe kunnen dingen onder hun kookpunt verdampen?”, die we vaak krijgen. En het is een goede vraag, want hij wijst erop dat de manier waarop we studenten voor de universiteit de fasen van de materie leren, niet het hele verhaal is. Dus om te beginnen, vergeet alles wat je dacht te weten over de verschillende fasen van materie…

Okee, laten we beginnen met een kleine zijsprong om wat belangrijke gerelateerde informatie te geven: Bij gassen is er een begrip dat “partiële druk” heet. Dit betekent dat je voor veel begrippen en berekeningen elk afzonderlijk gas in een mengsel van gassen kunt behandelen alsof het op zichzelf staat. Als concreet voorbeeld: Droge lucht bestaat (ruwweg) voor 80% uit stikstof en 20% uit zuurstof, en heeft een druk van ongeveer 15 pond per vierkante inch (PSI) op zeeniveau. Dit betekent dat de partiële stikstofdruk 12 PSI is (80% van 15) en de partiële zuurstofdruk 3 PSI (20% van 15). Mensen hebben zuurstof nodig om te ademen, en wij kunnen gemakkelijk ademen in normale lucht op zeeniveau, met deze 100 hPa druk. We kunnen echter net zo gemakkelijk ademhalen als we 100% zuurstof inademen bij een druk van slechts 3 PSI. Dit komt omdat de overdracht van zuurstof in onze longen alleen afhangt van de partiële druk van zuurstof, die in beide gevallen gelijk is.

Okay, genoeg over partiële druk, het heeft er maar zijdelings mee te maken. Nu de uitleg:

We leren op school dat vaste stoffen onder het vriespunt vaste stoffen blijven, en vloeistoffen tussen het smelt- en kookpunt vloeistoffen. Dit is een regelrechte leugen. Elke vaste of vloeibare stof die wordt blootgesteld aan een gas of een vacuüm bestaat ook als damp, bij alle temperaturen. De hoeveelheid damp wordt beschreven door een grootheid die de dampspanning wordt genoemd. Voor vloeibaar water is de dampspanning de partiële druk waarbij vloeistof en damp in evenwicht zijn: er zal geen netto-verdamping meer plaatsvinden wanneer de partiële druk van waterdamp die het vloeibare water omgeeft, gelijk is aan de dampspanning. Voor vast water (ijs) is het beeld hetzelfde, maar vervang je “vloeibaar” door “vast”, en “verdamping” door “sublimatie”.

(let op: ik ga het in deze uitleg over water hebben om de formulering eenvoudiger te houden, maar bedenk wel dat alles wat ik vanaf nu over water zeg voor vrijwel elke andere stof in de wereld geldt)

De dampspanning is niet een constante waarde. Hij verandert volgens een formule waar veel meteorologiestudenten nachtmerries over hebben: de Clausius-Clapeyron relatie. De details zijn niet belangrijk: wat belangrijk is, is dat de dampspanning toeneemt naarmate de temperatuur stijgt. Warmere temperaturen betekenen dat er meer water in dampvorm kan bestaan.

Er is een voorbeeld van dampspanning in het dagelijks gebruik dat u waarschijnlijk al kent: relatieve vochtigheid. Wanneer het weerbericht zegt dat de relatieve vochtigheid 80% is, betekent dit dat de partiële druk van waterdamp die zich al in de atmosfeer bevindt 80% is van de verzadigde dampdruk voor die temperatuur. Als de temperatuur daalt, maar de hoeveelheid waterdamp blijft gelijk, dan stijgt de relatieve vochtigheid. En als de temperatuur voldoende daalt, zal de partiële druk van water in de atmosfeer gelijk zijn aan de dampdruk: een relatieve vochtigheid van 100%. Elke verdere afkoeling zal betekenen dat condensatie zal optreden, of als de temperatuur onder 0 graden C (32 graden F) is, zal vaste vorst zich afzetten op oppervlakken.

Dus, waarom heeft het fasediagram van water het altijd over een superlage druk die nodig is voor sublimatie? Nou, dat is makkelijker uit te leggen als je eerst aan koken denkt. Ik bedoel, denk er eens even over na: Waarom, als er zo’n gelijkmatige toename is van hoeveel er van een stof verdampt, bereikt het dan een bepaalde temperatuur en kookt het plotseling allemaal weg?

Dat is makkelijk! Het kookpunt van een vloeistof is de temperatuur waarbij de dampspanning gelijk is aan de totale atmosferische druk. Dus zelfs als je kamer gevuld is met niets dan waterdamp, tenzij je de druk van je omgeving verhoogt, zal de partiële druk van water in je omgeving lager zijn dan de dampdruk, dus al je vloeistof zal veranderen in een gas door weg te koken. Dit is trouwens de reden waarom het kookpunt van water lager ligt op hoogte: de luchtdruk is lager, dus de temperatuur waarbij de dampdruk van water gelijk is aan de omgevingsdruk zal ook lager zijn. En als je naar steeds lagere omgevingsdrukken gaat, zoals bijvoorbeeld het oppervlak van Mars, is de druk uiteindelijk zo laag dat de dampdruk van water zelfs onder 0C (32F) gelijk is aan de omgevingsdruk, zodat water zelfs nooit warm genoeg kan worden om vloeibaar te worden alvorens te sublimeren!

Dus, dit alles samenvattend tot een antwoord op je vraag: Water hoeft zijn “kookpunt” niet te bereiken om te verdampen, en het hoeft ook niet bij echt lage druk te zijn om te sublimeren. Gemorst water zal altijd een beetje verdampen, en een blok ijs zal altijd een beetje sublimeren (laat een ijsblokje een paar maanden op een droge plaats in de vriezer liggen, en je zult zien dat het krimpt!), omdat de partiële druk van waterdamp in de lucht bijna altijd lager is dan de dampdruk van water (tenzij het natuurlijk een zeer vochtige dag is met een luchtvochtigheid van 100%, in welk geval het gemorste water gewoon blijft liggen).

En tot slot, een tl;dr:

  • Alle vloeibare (vaste) stoffen zullen verdampen (sublimeren) totdat ze de lucht om zich heen verzadigen (hoewel er geen lucht hoeft te zijn om dit te laten gebeuren); de hoeveelheid die kan verdampen (sublimeren) hangt af van de temperatuur.

Ik begon dit bericht door het aan te passen van een oud bericht dat ik een tijdje terug heb geschreven, en het bleek een beetje moeilijker aan te passen en toch begrijpelijk te blijven. Als je vervolgvragen hebt, laat het me weten!

En nog een paar bronnen:

  • Crash course in partiële drukken en dampspanning
  • Het Bergeron Proces: we danken de meeste neerslag die over de hele wereld valt aan het feit dat er een groot verschil is tussen de dampspanning van ijs en die van vloeibaar water.
  • Dampspanning zoals uitgelegd door een Texaan (een beknoptere en mogelijk betere uitleg dan de mijne)
  • Een voorbeeld uit de praktijk: de McMurdo Dry Valleys van Antarctica. Hoewel het gebied bijna nooit boven het vriespunt komt, is er niets dan kale rots, omdat alle sneeuw die valt snel sublimeert in de extreem droge omstandigheden.
  • Een ander voorbeeld uit de praktijk: gevriesdroogd voedsel wordt verlaagd tot vriestemperaturen, en dan in een vacuüm geplaatst om het sublimatieproces te versnellen.

*Aangepast om nog een paar voorbeelden uit de praktijk toe te voegen