Aceasta este legată de întrebarea „cum se pot evapora lucrurile sub punctul lor de fierbere?” pe care o primim foarte des. Și este o întrebare bună, deoarece evidențiază faptul că modul în care predăm fazele materiei elevilor înainte de facultate nu reprezintă întreaga poveste. Așa că, pentru a începe, uitați tot ceea ce credeați că știți despre diferitele faze ale materiei…

Bine, să începem cu o mică tangență pentru a oferi câteva informații conexe importante: În cazul gazelor, există un concept cunoscut sub numele de „presiune parțială”. Aceasta înseamnă că, pentru multe concepte și calcule, puteți trata fiecare gaz în parte dintr-un amestec de gaze ca și cum ar fi de unul singur. Ca un exemplu concret: Aerul uscat este (aproximativ) 80% azot și 20% oxigen și se află la o presiune de aproximativ 15 lire pe inch pătrat (PSI) la nivelul mării. Aceasta înseamnă că presiunea parțială a azotului este de 12 PSI (80% din 15), iar presiunea parțială a oxigenului este de 3 PSI (20% din 15). Oamenii au nevoie de oxigen pentru a respira, iar noi putem respira cu ușurință în aerul normal la nivelul mării, cu această presiune de 100 hPa. Cu toate acestea, am putea respira la fel de ușor dacă am respira 100% oxigen la o presiune de doar 3 PSI. Acest lucru se datorează faptului că transferul de oxigen în plămânii noștri depinde doar de presiunea parțială a oxigenului, care este aceeași în fiecare caz.

Bine, destul cu presiunea parțială, are doar o legătură tangențială. Acum să trecem la explicații:

La școală suntem învățați că solidele rămân solide sub punctul de îngheț, iar lichidele rămân lichide între punctele de topire și de fierbere. Aceasta este o minciună sfruntată. Orice substanță solidă sau lichidă care este expusă la un gaz sau la vid există și sub formă de vapori, la toate temperaturile. Cantitatea de vapori este descrisă de o mărime numită presiune de vapori. Pentru apa lichidă, presiunea de vapori este presiunea parțială la care lichidul și vaporii se află în echilibru: nu va mai avea loc nicio evaporare netă atunci când presiunea parțială a vaporilor de apă care înconjoară apa lichidă este egală cu presiunea de vapori. Pentru apa solidă (gheață), imaginea este aceeași, dar înlocuiți „lichid” cu „solid” și „evaporare” cu „sublimare”.

(notă: Voi vorbi despre apă pentru această explicație pentru a păstra formularea mai simplă, dar rețineți că tot ceea ce spun de acum înainte despre apă se aplică la aproape orice altă substanță din lume)

Presiunea vaporilor nu este o valoare constantă. Ea se modifică în funcție de o formulă cu care mulți studenți la meteorologie au coșmaruri: relația Clausius-Clapeyron. Specificul nu este important: ceea ce este important este că presiunea vaporilor crește odată cu creșterea temperaturii. Temperaturile mai ridicate înseamnă că mai multă apă poate exista sub formă de vapori.

Există un exemplu de presiune a vaporilor folosit în fiecare zi cu care probabil că sunteți deja familiarizați: umiditatea relativă. Când prognoza meteo spune că umiditatea relativă este de 80%, înseamnă că presiunea parțială a vaporilor de apă deja existentă în atmosferă este de 80% din presiunea saturată a vaporilor pentru acea temperatură. Dacă temperatura scade, dar cantitatea de vapori de apă rămâne aceeași, atunci umiditatea relativă crește. Iar dacă temperatura scade suficient de mult, presiunea parțială a apei din atmosferă va fi egală cu presiunea vaporilor: o umiditate relativă de 100%. Orice răcire suplimentară va însemna că se va produce condensare sau, dacă temperatura este sub 0 grade C (32 grade F), se va depune îngheț solid pe suprafețe.

Atunci, de ce diagrama de fază a apei vorbește întotdeauna despre faptul că este nevoie de o presiune foarte scăzută pentru sublimare? Ei bine, acest lucru este mai ușor de explicat dacă vă gândiți mai întâi la fierbere. Adică, gândiți-vă o secundă: de ce, dacă există această creștere lină a cantității de substanță care se evaporă, se ajunge la o anumită temperatură și brusc totul dispare prin fierbere?

Este ușor! Punctul de fierbere al unui lichid este temperatura la care presiunea vaporilor este egală cu presiunea atmosferică totală. Așadar, chiar dacă încăperea ta nu este plină decât de vapori de apă, dacă nu crești presiunea din mediul înconjurător, presiunea parțială a apei din mediul tău va fi mai mică decât presiunea vaporilor, astfel că tot lichidul tău se va transforma în gaz prin fierbere. Ca o paranteză, acesta este motivul pentru care punctul de fierbere al apei este mai mic la altitudine: presiunea aerului este mai mică, astfel încât temperatura la care presiunea vaporilor de apă este egală cu presiunea mediului înconjurător va fi, de asemenea, mai mică. Și dacă mergeți la presiuni ambientale din ce în ce mai mici, cum ar fi, să zicem, suprafața planetei Marte, în cele din urmă presiunea este atât de scăzută încât presiunea de vapori a apei este egală cu presiunea ambientală chiar și sub 0C (32F), astfel încât apa nici măcar nu se poate încălzi suficient de mult pentru a se transforma în lichid înainte de a se sublima!

Deci, punând toate acestea cap la cap într-un răspuns pentru întrebarea dvs: Apa nu trebuie să atingă „punctul de fierbere” pentru a se evapora și nici nu trebuie să fie la presiuni foarte scăzute pentru a se sublima. Apa vărsată se va evapora întotdeauna puțin, iar un bloc de gheață se va sublima întotdeauna puțin (lăsați un cub de gheață în congelator timp de câteva luni într-un loc uscat și veți vedea cum se micșorează!), deoarece presiunea parțială a vaporilor de apă din aer este aproape întotdeauna mai mică decât presiunea de vapori a apei (Cu excepția cazului în care, desigur, este o zi foarte umedă, cu o umiditate de 100%, caz în care apa vărsată va rămâne acolo).

Și, în final, un tl;dr:

  • Toate substanțele lichide (solide) se vor evapora (sublima) până când vor satura aerul din jurul lor (deși nu trebuie să existe aer pentru ca acest lucru să se întâmple); cantitatea care se poate evapora (sublima) depinde de temperatură.

Am început această postare adaptând-o de la o postare veche pe care am scris-o cu ceva timp în urmă, și s-a dovedit a fi un pic mai greu de adaptat rămânând în același timp de înțeles. Dacă aveți întrebări suplimentare, vă rog să mă anunțați!”

Câteva resurse suplimentare:

  • Curs de prăbușire în presiuni parțiale și presiune de vapori
  • Procesul Bergeron: Datorăm cea mai mare parte a precipitațiilor care cad în întreaga lume faptului că există o diferență mare între presiunile de vapori ale gheții și ale apei lichide.
  • Presiunea de vapori explicată de un texan (o explicație mai concisă și posibil mai bună decât a mea)
  • Un exemplu din lumea reală: Văile uscate McMurdo din Antarctica. Chiar dacă regiunea nu depășește aproape niciodată pragul de îngheț, nu există nimic altceva decât rocă goală, deoarece orice zăpadă care cade se sublimează rapid în condițiile extrem de uscate.
  • Un alt exemplu din lumea reală: alimentele liofilizate sunt coborâte la temperaturi de îngheț, iar apoi plasate în vid pentru a accelera procesul de sublimare.

*Editat pentru a adăuga alte câteva exemple din lumea reală