Detta är relaterat till frågan ”hur kan saker avdunsta under sin kokpunkt?” som vi får ofta. Och det är en bra fråga, eftersom den pekar på att det sätt på vilket vi lär ut materiens faser till elever före college inte är hela sanningen. Så för att börja, glöm allt du trodde att du visste om materiens olika faser…

Okej, låt oss börja med en liten tangent för att ge lite viktig relaterad information: I gaser finns det ett begrepp som kallas ”partialtryck”. Det innebär att man för många begrepp och beräkningar kan behandla varje enskild gas i en blandning av gaser som om den vore för sig själv. Ett konkret exempel: Torr luft består (ungefär) av 80 % kväve och 20 % syre och har ett tryck på cirka 15 pund per kvadrattum (PSI) på havsnivå. Detta innebär att kvävets partialtryck är 12 PSI (80 % av 15) och syrets partialtryck är 3 PSI (20 % av 15). Människor behöver syre för att andas, och vi kan lätt andas i normal luft på havsnivå, med detta tryck på 100 hPa. Vi kan dock andas lika lätt om vi andas 100 % syre vid ett tryck på bara 3 PSI. Detta beror på att överföringen av syre till våra lungor endast beror på syrepartialtrycket, som är detsamma i båda fallen.

Okej, nu räcker det med partialtryck, det är bara tangentiellt relaterat. Nu till förklaringen:

Vi lär oss i skolan att fasta ämnen förblir fasta ämnen under fryspunkten och att vätskor förblir vätskor mellan smält- och kokpunkten. Detta är en djärv lögn. Varje fast eller flytande ämne som utsätts för en gas eller ett vakuum existerar också som en ånga, vid alla temperaturer. Mängden ånga beskrivs av en storhet som kallas ångtrycket. För flytande vatten är ångtrycket det partialtryck vid vilket vätskan och ångan är i jämvikt: ingen nettoavdunstning kommer längre att ske när partialtrycket av vattenånga som omger det flytande vattnet är lika med ångtrycket. För fast vatten (is) är bilden densamma, men byt ut ”flytande” mot ”fast” och ”avdunstning” mot ”sublimering”.

(anmärkning: jag kommer att tala om vatten i den här förklaringen för att hålla ordalydelsen enklare, men kom ihåg att allt jag säger från och med nu om vatten gäller för i stort sett alla andra ämnen i världen)

Vapotrycket är inte ett konstant värde. Det ändras enligt en formel som många meteorologistudenter har mardrömmar om: Clausius-Clapeyron-relationen. Detaljerna är inte viktiga: det viktiga är att ångtrycket ökar med stigande temperatur. Varmare temperaturer innebär att mer vatten kan existera i ångform.

Det finns ett exempel på ångtryck som används varje dag och som du förmodligen redan känner till: relativ luftfuktighet. När väderprognosen säger att den relativa luftfuktigheten är 80 % betyder det att partialtrycket av vattenånga som redan finns i atmosfären är 80 % av det mättade ångtrycket för den temperaturen. Om temperaturen sjunker, men mängden vattenånga förblir densamma, ökar den relativa fuktigheten. Om temperaturen sjunker tillräckligt mycket kommer vattnets partialtryck i atmosfären att vara lika stort som ångtrycket: en relativ fuktighet på 100 %. Varje ytterligare avkylning innebär att kondensation uppstår, eller om temperaturen är lägre än 0 grader C (32 grader F) kommer fast frost att lägga sig på ytor.

Så, varför talar man i vattnets fasdiagram alltid om att det krävs ett superlågt tryck för sublimering? Tja, det är lättare att förklara om man först tänker på kokning. Jag menar, tänk på det en stund: Varför, om det sker en jämn ökning av hur mycket av ett ämne som avdunstar, når det en viss temperatur och plötsligt kokar allting bort?

Det är lätt! Kokpunkten för en vätska är den temperatur vid vilken ångtrycket är lika med det totala atmosfäriska trycket. Så även om ditt rum inte är fyllt av annat än vattenånga, om du inte ökar trycket i din omgivning, kommer vattnets partialtryck i din omgivning att vara lägre än ångtrycket, så all din vätska kommer att förvandlas till en gas genom att koka bort. Det är därför som vattnets kokpunkt är lägre på hög höjd: lufttrycket är lägre, så den temperatur vid vilken vattnets ångtryck är lika med omgivningens tryck kommer också att vara lägre. Och om du går till lägre och lägre omgivningstryck, som till exempel på Mars yta, blir trycket till slut så lågt att vattnets ångtryck är lika med omgivningstrycket till och med under 0C (32F), så vatten kan aldrig bli tillräckligt varmt för att omvandlas till vätska innan det sublimeras!

Så, för att sätta ihop allt detta till ett svar på din fråga: Vatten behöver inte nå sin ”kokpunkt” för att avdunsta, och det behöver inte heller vara vid riktigt låga tryck för att sublimeras. Spillt vatten kommer alltid att avdunsta lite, och ett isblock kommer alltid att sublimera lite (låt en isbit ligga i frysen i flera månader på en torr plats, och du kommer att se den krympa!), eftersom vattenångans partialtryck i luften nästan alltid är lägre än vattnets ångtryck (såvida det inte är en mycket fuktig dag med 100 % luftfuktighet, och i så fall kommer det spillda vattnet att stanna kvar där).

Och till sist, en tl;dr:

  • Alla flytande (fasta) ämnen kommer att avdunsta (sublimera) tills de mättar luften runt omkring dem (även om det inte behöver finnas luft för att detta ska hända); mängden som kan avdunsta (sublimera) beror på temperaturen.

Jag började det här inlägget med att anpassa det från ett gammalt inlägg som jag skrev upp för ett tag sedan, och det visade sig att det var lite svårare att anpassa samtidigt som det fortfarande var begripligt. Om du har några följdfrågor får du gärna höra av dig!

Ett par resurser till:

  • Crashkurs i partialtryck och ångtryck
  • Bergeronprocessen: Vi har det mesta av den nederbörd som faller runt om i världen att tacka för att det finns en stor skillnad mellan ångtrycken hos is och flytande vatten.
  • Ångtrycket förklarat av en texan (en mer kortfattad och möjligen bättre förklaring än min)
  • Ett exempel från verkligheten: McMurdo Dry Valleys i Antarktis. Trots att det nästan aldrig blir över fryspunkten i området finns det inget annat än bar sten, eftersom all snö som faller snabbt sublimeras bort i de extremt torra förhållandena.
  • Ett annat exempel från verkligheten: frystorkade livsmedel sänks till frystemperaturer och placeras sedan i vakuum för att påskynda sublimeringsprocessen.

*Redigerat för att lägga till ytterligare några exempel från verkligheten