升华
shēng huá
升华是固态不经过液态直接变为气态的物态变化,例如干冰变成二氧化碳蒸气。
Definition
升华是固态完全跳过液态、直接变为气态的物态变化,发生在固体表面的粒子获得足够的能量、完全逃逸时;对于固态蒸气压足够高的物质来说,在低压下升华更容易发生;反过来,气态直接变为固态的过程称为凝华。严格来说,当固体处于低于其三相点的温度和压强下时就会发生升华,因为此时液相无法稳定存在,所以体系直接达到固-气平衡;根据赫斯定律,其升华焓等于熔化焓与汽化焓之和;相图上的升华曲线,正是用这个更大的合并焓,遵循克劳修斯-克拉珀龙方程绘制的。
Example
干冰从不会留下一滩水,它会直接收缩变成一团寒冷的二氧化碳气体雾,在常压下于 $-78.5^\circ\text{C}$ 升华;在寒冷晴朗的日子里,雪也可以在从未融化的情况下消失,因为冰直接升华进入干燥的空气中。二氧化碳的三相点位于 $-56.6^\circ\text{C}$ 和 $5.11\text{ atm}$,所以在 $1\text{ atm}$ 下,液态 $CO_2$ 根本无法存在,固体只能升华,吸收 $25.2\text{ kJ/mol}$ 的热量;而水的三相点压强只有 $611\text{ Pa}$,这就是为什么冰会在冰箱冷冻室或冷冻干燥机的近真空环境中升华,却在厨房里正常融化。
Key Insight
冷冻干燥食品的做法是先把食物冷冻,再降低压强,使其中的冰升华散去,从而在几乎不损失重量的情况下保留食物的形状和营养。升华还可以作为一种提纯方法:在真空下轻轻加热不纯的固体,能使易挥发的化合物升华,再在冷的表面上重新凝华成纯净的晶体,而不易挥发的杂质则留在原处;彗星在受到太阳加热、其中的冰升华时甩出彗尾,正是同样的基本过程。