Почему фазовая диаграмма воды не выглядит иначе?

Ваше первое заблуждение касается кинетической энергии частиц: энергии частиц следуют распределению, не имеющему предела . Т.е. всегда будут присутствовать частицы с достаточной энергией, чтобы перейти в газовую фазу. Если вы понизите температуру, количество этих частиц уменьшится, но никогда не достигнет нуля. Следовательно, вы получаете сублимацию всякий раз, когда поверхность льда подвергается воздействию идеального вакуума. Количество достаточно энергичных частиц определяет максимальную скорость сублимации, и всегда существует давление паров, при котором эта скорость сублимации равна скорости, с которой газообразные частицы ударяются о лед, рассеивают свою энергию и входят в его фазу.

Температура плавления в значительной степени не зависит от давления, потому что плавление/замерзание не сильно меняет объем. Объем немного увеличивается при замораживании при комнатной температуре, поэтому очень высокое давление может препятствовать переходу воды в твердое состояние, немного снижая температуру плавления.

Конечно, такая же зависимость от объема присутствует и в газообразной фазе: вода занимает гораздо больше места, когда она представляет собой пар низкого давления, чем когда она твердая или жидкая. Таким образом, естественно, что и сублимация, и температура кипения сильно зависят от давления: чем больше давление, тем больше энергии (= температуры) нужно, чтобы перевести частицу в газовую фазу. Зависимость от объема между паром и другими фазами намного сильнее в тройной точке, чем зависимость от объема между твердой и жидкой фазами, поэтому следует ожидать, что точка сублимации качественно продолжит путь точки кипения к более низким температурам и давлениям. Насколько я помню, между двумя кривыми в тройной точке есть небольшой угол.

Это фундаментально связано с вероятностно-статистической природой теплового движения. На самом деле материал будет сублимировать при любой температуре выше абсолютного нуля - просто скорость уменьшается экспоненциально (или быстрее) с падением температуры, и на этой линии сублимация происходит достаточно быстро, чтобы дальнейшее добавление тепла не повышало температуру. температуры, просто вызвать дальнейшую сублимацию.

В любой момент времени молекула имеет ненулевую вероятность иметь любую энергию, даже очень высокую. Причиной этого является случайность молекулярных движений: если у вас есть куча шаров, колеблющихся всеми возможными способами, всегда есть шанс, что для любого данного шара соседние с ним шары будут трястись все в унисон, давая это скоординированный сильный «удар», который выбрасывает его из пучка. Это именно то, что происходит здесь. В результате молекулы постепенно покидают материал, и он возгоняется.

И да, теоретически это означало бы, что кометы и т. д. должны в конце концов исчезнуть, но требуемый масштаб времени феноменален (больше, чем истекший возраст Вселенной, при температуре межзвездного пространства ~3 К) из-за экспоненциального подавления: грубо говоря , при половине средней энергии вам нужно вдвое больше шаров, чтобы все скоординировали свои «удары», а это означает, что вероятность равна квадрату — сначала вам нужно «бросить кости», чтобы заставить первый набор шаров толкнуть, затем вам нужно сделать второй бросок, чтобы второй сет запушился в тандеме. Если первый бросок имеет вероятность$p$чтобы "победить", то и первое и второе вместе требуют вероятности$p^2$. Конечно, это не точно из-за различных корреляционных и геометрических/динамических эффектов, но все же дает вам общее представление.

Скорость сублимации в вакууме при заданной температуре известна давно и уместна, особенно когда речь идет о конструкции космического корабля, поскольку это означает, что материалы космического корабля действительно испаряются со временем: скорость определяется уравнением Ленгмюра, см., например , [ 1 ]

где$P_V$- давление пара при данной температуре,$m$молекулярная масса,$T$это температура и$k_L$постоянная Ленгмюра,$17.14\ \mathrm{\frac{Torr \cdot cm^2 \cdot s}{g \cdot \sqrt{\frac{K}{amu}}}}$, я думаю, для единиц (это старая статья 1971 года! и не говорится, какая единица используется специально для молекулярной массы). $P_V$экспоненциально затухает по обратной температуре$\frac{1}{T}$, отсюда то, что я сказал ранее. В частности, для воды

так в$T = 3\ \mathrm{K}$это по заказу$10^{-734}\ \mathrm{Torr}$, и время испарения, таким образом, тоже будет порядка$10^{734}\ \mathrm{s}$, против общепринятого возраста Вселенной около$4.35 \times 10^{17}\ \mathrm{s}$(данные Planck Surveyor). IOW, кометы по существу стабильны (на самом деле, они с большей вероятностью [хотя на момент написания этой статьи это было совершенно спекулятивно] испарились в результате более фундаментальных физических процессов, таких как распад протона, прежде чем они испарятся таким образом! И это не означает, что Вселенная охлаждается при расширении).

Прошло 10 лет с тех пор, как я закончил университет. Это было так давно, что я не помню, что я узнал. Я полагаю, что однажды, изучая химию в средней школе или университете, или на какой-то веб-странице в Интернете, я узнал, что редко и время от времени молекула получает толчок от окружающих молекул, чтобы двигаться достаточно быстро, чтобы оторваться от поверхности. Вероятно, дело в хаотичном характере их движения. Вот мое объяснение того, что такое теория хаоса. Я полагаю, что на поверхности 4-мерной сферы существует непрерывное поле скоростей, обладающее тем свойством, что малейшее изменение начального положения в одном направлении, перпендикулярном направлению движения, будет расти экспоненциально, а крошечное изменение в другом направлении, перпендикулярном направлению движения. направление движения будет уменьшаться в геометрической прогрессии.