Thăng hoa xảy ra trong những điều kiện nào?

Thăng hoa là gì?

Theo thuật ngữ nhiệt động học của IUPAC, thăng hoa là sự chuyển trực tiếp từ pha rắn sang pha khí. Điểm khác biệt cốt lõi so với nóng chảy và bay hơi nằm ở pha trung gian: khi thăng hoa, chất không cần trở thành chất lỏng trước khi đi vào pha khí.

Ở cấp độ phân tử, các hạt trong chất rắn luôn dao động. Một số hạt ở bề mặt có thể nhận đủ năng lượng để thắng lực liên kết giữ chúng trong mạng tinh thể và thoát ra ngoài. Quá trình này cần hấp thụ năng lượng, nên tăng nhiệt độ thường làm áp suất hơi của chất rắn tăng và tốc độ thăng hoa nhanh hơn.

Điều đó không có nghĩa mỗi chất có một “nhiệt độ thăng hoa” cố định trong mọi hoàn cảnh. Nhiệt độ chuyển pha phụ thuộc vào áp suất, còn tốc độ mất chất ở bề mặt còn phụ thuộc vào mức độ bão hòa hơi và khả năng đưa hơi ra khỏi vùng sát bề mặt.

Chất rắn có thể chuyển trực tiếp thành khí trong những điều kiện nào?

Áp suất và điểm ba quyết định đường chuyển pha cân bằng

Điểm ba là cặp nhiệt độ–áp suất tại đó ba pha rắn, lỏng và khí có thể cùng tồn tại cân bằng. Trên giản đồ pha, khi áp suất thấp hơn áp suất điểm ba, miền pha lỏng không còn nằm trên đường gia nhiệt cân bằng từ rắn sang khí. Vì vậy, nếu chất rắn được gia nhiệt ở vùng áp suất này, nó có thể đi qua ranh giới rắn–khí và thăng hoa thay vì nóng chảy trước.

Đây là điều kiện quan trọng khi nói về sự chuyển pha trực tiếp của toàn khối chất theo giản đồ pha. Ngược lại, ở áp suất cao hơn điểm ba, nếu tăng nhiệt độ đủ chậm để hệ gần cân bằng, nhiều chất sẽ đi vào miền lỏng trước rồi mới hóa hơi.

Nhiệt độ phải đủ để áp suất hơi của chất rắn trở nên đáng kể

Ngay dưới nhiệt độ nóng chảy, nhiều chất rắn vẫn có áp suất hơi khác 0. Khi nhiệt độ tăng, nhiều phân tử ở bề mặt đạt mức năng lượng đủ để rời pha rắn, đồng thời áp suất hơi cân bằng tăng mạnh. Vì vậy, thăng hoa thường diễn ra nhanh hơn khi chất rắn được làm ấm.

Yếu tố này mang tính riêng cho từng chất. Một chất có áp suất hơi tương đối lớn ở nhiệt độ đang xét sẽ thăng hoa dễ quan sát hơn chất có mạng tinh thể bền và áp suất hơi cực thấp. Do đó, không thể dùng một ngưỡng nhiệt độ chung cho tất cả chất rắn.

Môi trường phải cho phép hơi tiếp tục rời khỏi bề mặt

Để có thăng hoa thuần theo chiều rắn → khí, áp suất riêng phần của hơi chất đó trong môi trường phải thấp hơn áp suất hơi cân bằng của chất rắn ở cùng nhiệt độ. Khi vùng khí sát bề mặt chưa bão hòa, số phân tử thoát khỏi pha rắn lớn hơn số phân tử quay trở lại bề mặt theo chiều lắng đọng.

Vì thế, không khí khô, dòng khí lưu thông hoặc môi trường chân không thường làm tốc độ thăng hoa tăng vì chúng giúp loại hơi khỏi lớp khí sát bề mặt. Đây chủ yếu là những yếu tố chi phối tốc độ, không phải lúc nào cũng là điều kiện nhiệt động học bắt buộc để hiện tượng tồn tại.

Một ví dụ quen thuộc là nước đá có thể hao dần trong ngăn đông dù áp suất tổng của môi trường lớn hơn nhiều áp suất điểm ba của nước. Bề mặt băng vẫn có áp suất hơi; nếu không khí xung quanh đủ khô và hơi nước được đưa đi, khối lượng có thể mất trực tiếp từ rắn sang khí.

Vì sao không phải chất rắn nào cũng thăng hoa rõ rệt?

Khả năng quan sát thăng hoa phụ thuộc nhiều vào áp suất hơi của chất rắn ở nhiệt độ thực tế. Nếu lực liên kết trong mạng tinh thể mạnh, rất ít phân tử có đủ năng lượng để thoát ra, nên áp suất hơi thấp và tốc độ thăng hoa có thể nhỏ đến mức gần như không nhận thấy trong điều kiện thông thường.

Cần phân biệt “có phân tử rời khỏi bề mặt rắn” với “toàn bộ chất rắn sẽ chuyển sang khí thay vì nóng chảy”. Trường hợp thứ hai phụ thuộc vào đường đi trên giản đồ pha và đặc biệt vào vị trí áp suất so với điểm ba. Ngoài ra, một số chất có thể phân hủy hóa học trước khi tốc độ thăng hoa trở nên đáng kể, nên không thể mặc định mọi chất rắn đều cho một quá trình thăng hoa dễ quan sát.

CO₂ rắn minh họa điều kiện thăng hoa như thế nào?

CO₂ rắn, hay đá khô, là ví dụ điển hình vì điểm ba của CO₂ nằm ở khoảng −56,6 °C và 5,18 bar. Áp suất khí quyển tiêu chuẩn chỉ khoảng 1,01 bar, thấp hơn nhiều so với áp suất điểm ba này. Vì vậy, ở áp suất khí quyển, CO₂ lỏng không phải pha cân bằng ổn định trên đường gia nhiệt thông thường của đá khô.

Khi nhiệt độ của đá khô đạt khoảng −78,5 °C ở 1 atm, áp suất hơi của CO₂ rắn tương ứng với áp suất môi trường và chất chuyển trực tiếp sang khí. Đó là lý do đá khô không tạo thành vũng CO₂ lỏng khi để trong điều kiện khí quyển mà nhỏ dần trong khi khí CO₂ được giải phóng.

Muốn CO₂ tồn tại ở pha lỏng, hệ phải được đưa vào vùng áp suất cao hơn áp suất điểm ba đồng thời có nhiệt độ phù hợp; ở 1 atm, đường chuyển pha cân bằng khi làm ấm đá khô là rắn → khí.

Phân biệt thăng hoa với nóng chảy và bay hơi

Thăng hoa bắt đầu từ pha rắn và tạo pha khí trực tiếp. Nóng chảy là chuyển từ rắn sang lỏng, còn bay hơi là chuyển từ lỏng sang khí. Ba quá trình đều liên quan đến sự thay đổi trạng thái của vật chất nhưng diễn ra trên những ranh giới pha khác nhau.

Sự khác biệt này giúp tránh một cách hiểu sai phổ biến: chất rắn không cần “sôi” mới trở thành khí. Khi điều kiện nhiệt độ, áp suất và áp suất hơi phù hợp, các phân tử có thể đi thẳng từ bề mặt rắn vào pha khí; trong vùng thích hợp của giản đồ pha, toàn bộ chuyển pha cân bằng cũng có thể diễn ra theo đường rắn → khí mà không xuất hiện pha lỏng.

Thăng hoa là quá trình chuyển trực tiếp từ rắn sang khí, nhưng điều kiện cụ thể phải xét theo từng chất. Với chuyển pha cân bằng khi gia nhiệt, áp suất thấp hơn áp suất điểm ba là điều kiện then chốt để không đi qua miền pha lỏng. Ở mức bề mặt, chất rắn vẫn có thể thăng hoa tại áp suất cao hơn nếu có áp suất hơi đáng kể và môi trường chưa bão hòa hơi; nhiệt độ cao hơn, áp suất thấp và sự lưu thông của môi trường khí thường làm quá trình diễn ra nhanh hơn. CO₂ rắn ở 1 atm là ví dụ rõ ràng cho vai trò kết hợp của nhiệt độ, áp suất và giản đồ pha.