Warum sieht das Phasendiagramm von Wasser nicht anders aus?

Ihr erstes Missverständnis betrifft die kinetische Energie von Teilchen: Teilchenenergien folgen einer Verteilung, die keinen Cutoff hat . Dh es werden immer Teilchen vorhanden sein, die genügend Energie haben, um in die Gasphase überzugehen. Wenn Sie die Temperatur senken, nimmt die Anzahl dieser Partikel ab, aber sie erreicht nie Null. Folglich erhalten Sie immer dann eine Sublimation, wenn Sie eine Eisoberfläche einem perfekten Vakuum ausgesetzt haben. Die Anzahl ausreichend energiereicher Teilchen bestimmt die maximale Sublimationsrate, und es gibt immer einen Dampfdruck, bei dem diese Sublimationsrate gleich der Geschwindigkeit ist, mit der gasförmige Teilchen auf das Eis treffen, ihre Energie abgeben und in seine Phase eintreten.

Der Schmelzpunkt ist weitgehend druckinvariant, da das Schmelzen/Gefrieren das Volumen nicht stark verändert. Das Volumen nimmt beim Einfrieren bei Raumtemperatur etwas zu, daher können sehr hohe Drücke verhindern, dass Wasser in den festen Zustand übergeht, wodurch der Schmelzpunkt etwas gesenkt wird.

Die gleiche Volumenabhängigkeit liegt natürlich auch bei der Gasphase vor: Wasser nimmt als Niederdruckdampf viel mehr Platz ein als wenn es fest oder flüssig ist. Daher ist es nur natürlich, dass sowohl die Sublimation als auch der Siedepunkt eine starke Druckabhängigkeit aufweisen: Je höher der Druck, desto mehr Energie (= Temperatur) muss man aufwenden, um ein Teilchen in die Gasphase zu versetzen. Die Volumenabhängigkeit zwischen Dampf und anderen Phasen ist am Tripelpunkt viel, viel stärker als die Volumenabhängigkeit zwischen festen und flüssigen Phasen, sodass man damit rechnen muss, dass der Sublimationspunkt den Weg des Siedepunkts zu niedrigeren Temperaturen und Drücken qualitativ fortsetzt. Soweit ich mich erinnere, gibt es jedoch am Tripelpunkt einen leichten Winkel zwischen den beiden Kurven.

Es hängt grundlegend mit der probabilistischen/statistischen Natur der thermischen Bewegung zusammen. Tatsächlich sublimiert das Material bei jeder Temperatur über dem absoluten Nullpunkt - es ist nur so, dass die Rate mit fallender Temperatur exponentiell (oder schneller) abnimmt, und an dieser Linie findet die Sublimation schnell genug statt, dass eine weitere Wärmezufuhr die nicht erhöht Temperatur, verursachen nur eine weitere Sublimation.

Zu jeder Zeit hat ein Molekül eine Wahrscheinlichkeit ungleich Null, irgendeine Energie zu haben – sogar sehr hohe Energien. Der Grund dafür ist die Zufälligkeit der molekularen Bewegungen: Wenn Sie einen Haufen Bälle haben, die auf alle möglichen Arten herumwackeln, besteht immer die Möglichkeit, dass bei einem bestimmten Ball seine benachbarten Bälle alle im Einklang wackeln und nachgeben es ist ein koordinierter, starker "Tritt", der es aus dem Haufen wirft. Genau das passiert hier. Dadurch verlassen Moleküle nach und nach das Material und es sublimiert.

Und ja, dies würde theoretisch bedeuten, dass Kometen usw. irgendwann verschwinden sollten, aber die erforderliche Zeitskala ist aufgrund der exponentiellen Unterdrückung phänomenal (größer als das vergangene Alter des Universums bei einer Temperatur von ~3 K im interstellaren Raum): grob gesagt , bei der Hälfte der durchschnittlichen Energie braucht man doppelt so viele Bälle, um alle ihre "Kicks" zu koordinieren, und das bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit quadriert ist - zuerst muss man richtig "würfeln", um den ersten Satz Bälle zum Schieben zu bekommen Sie müssen einen zweiten Wurf machen, um das zweite Set dazu zu bringen, im Tandem zu schieben. Wenn der erste Wurf eine Wahrscheinlichkeit hat$p$um zu "gewinnen", dann erfordern sowohl die erste als auch die zweite zusammen Wahrscheinlichkeit$p^2$. Natürlich ist dies aufgrund verschiedener korrelierender und geometrischer/dynamischer Effekte nicht exakt, aber es gibt Ihnen immer noch die allgemeine Vorstellung.

Die Vakuumsublimationsrate bei einer gegebenen Temperatur ist seit einiger Zeit bekannt und ist besonders relevant, wenn es um das Design von Raumfahrzeugen geht, da dies bedeutet, dass die Materialien des Raumfahrzeugs tatsächlich mit der Zeit verdampfen: Die Rate ist durch die Langmuir-Gleichung gegeben, siehe z. B. [ 1 ]

Wo$P_V$ist der Dampfdruck bei der gegebenen Temperatur,$m$ist das Molekulargewicht,$T$ist Temperatur und$k_L$ist die Langmuir-Konstante,$17.14\ \mathrm{\frac{Torr \cdot cm^2 \cdot s}{g \cdot \sqrt{\frac{K}{amu}}}}$, glaube ich für die Einheiten (dies ist ein altes Papier von 1971! und sagt nicht aus, welche Einheit speziell für das Molekulargewicht verwendet wird). Der$P_V$nimmt in der reziproken Temperatur exponentiell ab$\frac{1}{T}$, daher das, was ich vorhin gesagt habe. Vor allem für Wasser

also bei$T = 3\ \mathrm{K}$Dies ist in der Größenordnung von$10^{-734}\ \mathrm{Torr}$, und die Verdunstungszeit liegt somit ebenfalls in der Größenordnung von$10^{734}\ \mathrm{s}$, gegen das allgemein akzeptierte Alter des Universums von etwa$4.35 \times 10^{17}\ \mathrm{s}$(Planck Surveyor-Daten). IOW, Kometen sind im Wesentlichen stabil (tatsächlich wäre es wahrscheinlicher [obwohl dies zum jetzigen Zeitpunkt völlig spekulativ ist], durch grundlegendere physikalische Prozesse wie den Protonenzerfall zu verdampfen, bevor sie auf diese Weise verdampfen! Und das bedeutet nicht, dass das Universum ist Abkühlung bei Ausdehnung.).

Es ist ungefähr 10 Jahre her, dass ich die Universität beendet habe. Es ist so lange her, dass ich mich nicht mehr an das erinnere, was ich gelernt habe. Ich glaube, dass ich einmal entweder in Chemie an der High School oder Universität oder auf einer Webseite im Internet gelernt habe, dass ein Molekül selten und gelegentlich einen Ruck von umgebenden Molekülen bekommt, um sich schnell genug zu bewegen, um sich von der Oberfläche zu lösen. Es ist wahrscheinlich die chaotische Natur ihrer Bewegung. Hier ist meine Erklärung, was die Chaostheorie ist. Ich glaube, dass es auf der Oberfläche einer 4-dimensionalen Kugel ein kontinuierliches Geschwindigkeitsfeld gibt, das die Eigenschaft hat, dass die kleinste Änderung der Ausgangsposition in einer Richtung senkrecht zur Fahrtrichtung exponentiell wächst und eine winzige Änderung in einer anderen Richtung senkrecht dazu die Fahrtrichtung nimmt exponentiell ab.