Почему воздух не замерзает?

Воздух состоит из нескольких различных газов, но наиболее важными из них являются азот и кислород . Поскольку эти компоненты имеют очень низкую температуру плавления, вы не увидите, чтобы воздух замерзал в ближайшее время на Земле, но, с другой стороны, жидкий азот производится регулярно для самых разных целей (например, для студентов-физиков, чтобы играть с ними во время скучной лабораторной работы). ).

Теперь вопрос сводится к тому, почему азот и кислород находятся в газообразных формах при привычных для нас температурах и почему они имеют такие низкие температуры плавления.

Чтобы ответить на первый вопрос, температура на Земле такая, какая она есть благодаря солнечному свету, который нас согревает, собственному геотермальному теплу Земли, а также благодаря парниковым свойствам многих газов в нашем воздухе. (Так что воздух сам себя согревает, если хотите. :p)

Во-вторых, точки плавления азота и кислорода настолько низки, потому что молекулы, из которых состоят эти газы, очень малы и слабо связаны. Для их возбуждения требуется мало энергии, поэтому при «комнатных температурах» они чрезвычайно подвижны и в основном движутся по прямой, пока не натолкнутся друг на друга или на что-нибудь еще. Характерное поведение молекул в жидкостях и твердых телах гораздо менее подвижно.

При нормальном давлении 99,9% воздуха (азот, кислород и аргон) затвердевают при температуре 55К (где кислород). При температуре ниже примерно 15 К также затвердевает водород (0,000524% нормализованного воздуха), оставляя только гелий, который будет жидким до 0 К (но превратится в сверхтекучее состояние около 2,17 К).

Воздух замерзает только при температурах и давлениях, с которыми мы нечасто сталкиваемся.

Существует целая индустрия производства и перегонки жидкого воздуха. Вы берете воздух и сжимаете его. В результате температура воздуха повышается; воздуху дают остыть. Затем воздух расширяется, направляя его в новую камеру. В результате получается гораздо более холодный газ.

Через циклы сжатия, охлаждения и вентиляции мы можем заставить воздух конденсироваться в жидкость.

Если затем поместить жидкий азот в вакуумную камеру, он замерзнет.

В воздухе есть крошечные следы гелия, примерно 5 частей на миллион. Давление недостаточно высокое, чтобы замерзнуть, как бы ни было холодно.

Состояние (твердое, жидкое или газообразное) вещества зависит от прочности связей между молекулами вещества и (тепловой) кинетической энергии молекул.

Чтобы разорвать связь между молекулами, требуется энергия, и чем прочнее связь, тем больше энергии требуется для ее разрыва.

Для газов, из которых состоит воздух, кинетической энергии, которой обладают молекулы, вполне достаточно, чтобы обеспечить достаточную энергию для разрыва любых связей между молекулами.

Если температура понижается, кинетическая энергия молекул уменьшается, а ниже определенной температуры кинетической энергии недостаточно, чтобы разорвать достаточное количество связей между молекулами, чтобы они не оставались вместе в жидком состоянии, или даже при более низкой температуре в твердом состоянии.

Таким образом, ответ на ваш вопрос заключается в том, что температура воздуха поддерживается Солнцем на достаточно высоком уровне, так что столкновения между молекулами не приводят к постоянной связи между молекулами.
Идите дальше от Солнца, где температура поверхности растений ниже, а газы становятся жидкими и даже твердыми.

Из всех газов атмосферы углекислый газ имеет относительно высокую температуру замерзания (возгонки) при$-78.5\, ^\circ \rm C$и самая низкая зарегистрированная температура$-78.5\, ^\circ \rm C$в Антарктике существует вероятность замерзания углекислого газа.
Однако, как отмечается в этой статье , это маловероятно, потому что есть другие факторы.

Учитывая, что температуры кипения и замерзания имеют тенденцию к снижению по мере уменьшения молекулярной массы, удивительным фактом является то, что вода существует в жидкой и твердой форме на Земле.
Так что на самом деле это пример эффекта, противоположного упомянутому в вашем вопросе.

Сероводород$\rm H_2S$представляет собой газ при комнатной температуре, но более легкая молекула воды$\rm H_2O$может существовать в виде жидкости при такой температуре.

Это иллюстрирует важность прочности связей между молекулами.
Молекулы воды имеют большой дипольный момент (асимметричное распределение заряда), что приводит к относительно более сильной (водородной) связи между молекулами воды по сравнению со связью между молекулами сероводорода.
Таким образом, для разрыва связей между молекулами воды требуется большее термическое перемешивание (соответствующее более высокой температуре), чем между молекулами сероводорода.

Воздух не является чистым веществом. Только два газа в одной атмосфере могут замерзнуть в экстремально холодных условиях. Газы представляют собой водяной пар (дождь, снег и мокрый снег) и углекислый газ. Про сублимацию СО2 ~-79С не слышал. Температура была достаточно низкой (~ -90°C), но высота над уровнем моря выше уровня моря, поэтому я не уверен, что такое когда-либо случалось в истории человечества. Другие газы замерзают или выпадают дождем при гораздо более низких температурах. Эти газы включают элементы кислород, азот, аргон, ксенон, водород, гелий и неон.