¿Por qué el diagrama de fase del agua no se ve diferente?

Su primera idea errónea es sobre la energía cinética de las partículas: las energías de las partículas siguen una distribución que no tiene un corte . Es decir, siempre habrá partículas presentes con suficiente energía para pasar a la fase gaseosa. Si bajas la temperatura, el recuento de estas partículas disminuye, pero nunca llega a cero. En consecuencia, obtiene la sublimación cada vez que tiene una superficie de hielo expuesta al vacío perfecto. El recuento de partículas suficientemente energéticas dicta la tasa máxima de sublimación, y siempre hay una presión de vapor a la que esta tasa de sublimación es igual a la tasa a la que las partículas gaseosas golpean el hielo, disipan su energía y entran en su fase.

El punto de fusión es en gran medida invariable con la presión porque la fusión/congelación no cambia mucho el volumen. El volumen crece un poco cuando se congela a temperatura ambiente, por lo que presiones muy altas pueden impedir que el agua entre en estado sólido, lo que reduce un poco el punto de fusión.

Por supuesto, la misma dependencia del volumen está presente con la fase gaseosa: el agua ocupa mucho más espacio cuando es vapor a baja presión que cuando es sólida o fluida. Como tal, es natural que tanto la sublimación como el punto de ebullición muestren una fuerte dependencia de la presión: a más presión, más energía (= temperatura) se necesita para poner una partícula en fase gaseosa. La dependencia del volumen entre el vapor y otras fases es mucho, mucho más fuerte en el punto triple que la dependencia del volumen entre las fases sólida y fluida, por lo que debe esperar que el punto de sublimación continúe cualitativamente el camino del punto de ebullición a temperaturas y presiones más bajas. Sin embargo, hay un ligero ángulo entre las dos curvas en el punto triple, por lo que recuerdo.

Está relacionado fundamentalmente con la naturaleza probabilística/estadística del movimiento térmico. En realidad, el material se sublimará a cualquier temperatura por encima del cero absoluto; es solo que la velocidad disminuye exponencialmente (o más rápido) con la caída de la temperatura, y en esa línea es donde la sublimación ocurre lo suficientemente rápido como para que la adición adicional de calor no aumente el temperatura, solo causa una mayor sublimación.

En cualquier momento dado, una molécula tiene una probabilidad distinta de cero de tener cualquier energía, incluso energías muy altas. La razón de esto es la aleatoriedad de los movimientos moleculares: si tienes un montón de bolas moviéndose de todas las formas posibles, siempre existe la posibilidad de que para cualquier bola dada, las bolas vecinas se muevan todas al unísono, dando es una "patada" fuerte y coordinada que lo expulsa del grupo. Eso es exactamente lo que sucede aquí. Como resultado, las moléculas abandonan gradualmente el material y se sublima.

Y sí, teóricamente esto significaría que los cometas, etc. deberían desaparecer eventualmente, pero la escala de tiempo requerida es fenomenal (más grande que la edad transcurrida del Universo, a la temperatura de ~ 3 K del espacio interestelar) debido a la supresión exponencial: en términos generales , a la mitad de la energía promedio, necesita el doble de bolas para coordinar todas sus "patadas", y eso significa que la probabilidad se eleva al cuadrado : primero, debe "tirar los dados" correctamente para obtener el primer grupo de bolas para empujar, luego tienes que hacer una segunda tirada para conseguir que el segundo juego empuje en tándem. Si la primera tirada tiene probabilidad$p$para "ganar", entonces tanto el primero como el segundo juntos requieren probabilidad$p^2$. Por supuesto, esto no es exacto debido a varios efectos de correlación y geométricos/dinámicos, pero aún le da una idea general.

La tasa de sublimación del vacío a una temperatura dada se conoce desde hace tiempo y es pertinente especialmente cuando se trata del diseño de naves espaciales porque significa que los materiales de la nave espacial se evaporan con el tiempo: la tasa viene dada por la ecuación de Langmuir, ver, por ejemplo [ 1 ]

dónde$P_V$es la presión de vapor a la temperatura dada,$m$es el peso molecular,$T$es la temperatura y$k_L$es la constante de Langmuir,$17.14\ \mathrm{\frac{Torr \cdot cm^2 \cdot s}{g \cdot \sqrt{\frac{K}{amu}}}}$, creo que para las unidades (¡este es un documento antiguo de 1971! y no dice qué unidad se usa especialmente para el peso molecular). El$P_V$está decayendo exponencialmente en la temperatura recíproca$\frac{1}{T}$, de ahí lo que dije antes. Para el agua en particular,

así que en$T = 3\ \mathrm{K}$esto es a la orden de$10^{-734}\ \mathrm{Torr}$, y el tiempo de evaporación también va a ser del orden de$10^{734}\ \mathrm{s}$, contra la edad generalmente aceptada del Universo de aproximadamente$4.35 \times 10^{17}\ \mathrm{s}$(Datos del topógrafo de Planck). IOW, los cometas son esencialmente estables (de hecho, sería más probable [aunque esto es completamente especulativo a partir de este escrito] que se evaporen a través de procesos físicos más fundamentales como la descomposición de protones antes de que se evaporen de esta manera. Y eso no significa que el Universo es enfriándose a medida que se expande).

Hace como 10 años que terminé la universidad. Hace tanto tiempo que no recuerdo mucho de lo que aprendí. Creo que una vez en la química de la escuela secundaria o la universidad o en alguna página web en Internet, aprendí que rara vez y ocasionalmente, una molécula recibe una sacudida de las moléculas circundantes para moverse lo suficientemente rápido como para separarse de la superficie. Probablemente sea la naturaleza caótica de su movimiento. Aquí está mi explicación de lo que es la teoría del caos. Creo que hay un campo de velocidad continuo en la superficie de una esfera de 4 dimensiones que tiene la propiedad de que el más mínimo cambio en la posición inicial en una dirección perpendicular a la dirección de viaje crecerá exponencialmente y un pequeño cambio en otra dirección perpendicular a la dirección de viaje decaerá exponencialmente.