雪地晾衣服是否會乾?

真相追追追

咦?衣服這樣有曬乾嗎?^^

國中理化課講到昇華時,會以乾冰、碘、冰的例子來說明。即使冬天氣溫低於冰點,也可以將濕衣服掛在外面晾乾。上則影片或許是晾曬的時間不夠久,所以衣服中的水只會凍結成冰。若要讓冰跳過液相直接變為水蒸氣而使衣服變乾,那麼必須是陽光充足的日子,並且避免那些令人討厭的潮濕天氣,衣服多晾幾天還是會變乾的,國中理化是這樣教的沒錯吧?

由於 昇華 是物質在溫度和氣壓低於三相點的時候所發生的一種物態變化,水的三相點是 0.01 ℃及 0.61 kPa (約等於一大氣壓的千分之六),三相圖則是:

這代表水在一大氣壓的環境時,若溫度低於0℃就是固態,溫度高於100℃則是氣態。若要溫度和氣壓低於水的三相點,那麼就得抽真空讓冰在小於0.61 kPa的極低氣壓下,才能從固態直接變成氣態,這樣才符合昇華的定義。就如同乾冰的昇華↓

在一大氣壓環境下,溫度低於 -78.5℃的二氧化碳呈現固態,當其受熱後,沿著水平虛線先來到固、氣二相共存,然後升溫到高於-78.5℃後則變成氣態二氧化碳,這樣的過程就符合昇華的定義。

那麼,冬天氣溫低於冰點時也可以將濕衣服掛在外面晾乾是屬於什麼現象呢?其實不僅液態水會蒸發,固態冰也會蒸發。以該影片而言,當時氣溫是 -16℃,冰在這個溫度的飽和蒸氣壓是 151 Pa。也就是說,只要當時室外空氣濕度所產生的蒸氣壓小於這個數值(註一),那麼結凍的衣服就能藉由蒸發而變乾。不過前提是在曬不到陽光的地方,畢竟能曬到陽光的衣服表面溫度是會藉由吸收輻射熱而升溫,這樣就更有利於冰的蒸發。因此,與其說是冰的昇華,不如說是冰的蒸發更為貼切些~

接著來看一張碘的三相圖:

咦?在一大氣壓下,固態碘加熱到 113.7℃時是熔化呢!中文維基資料也說 碘的熔點 是113.7℃,為什麼國中理化會拿它來舉例說明昇華呢?

這不是圖畫錯了,碘在一大氣壓下加熱時,確實是會熔化沒錯 → Sublimation of iodine: Rise and fall of a misconception

所以國中理化所做的碘昇華實驗,其實是「熔化的液態碘伴隨著蒸發現象,由於碘的紫色蒸氣顏色實在太濃了,以致於掩蓋了下方已熔化的液態碘」,導致觀察到的現象誤以為是「碘晶體加熱後直接變成氣體」。

註一:根據理想氣體方程式 PV=nRT,(0.151÷101.3)×1=(m÷18)×0.082×(273-16) ⇒ m=0.00127公克,亦即此溫度下的飽和濕度僅為 1.27毫克/每公升空氣,如此低的飽和濕度表示室外空氣的水氣含量必須低於這個數值才能讓冰蒸發,若高於這個數值反而就會在衣服上結霜了。因此若在室外晾衣服,只會收回一件件凍得硬梆梆的冰衣。北海道居民在冬天其實是將衣服晾在屋內的,畢竟從屋外吹進來乾燥的冷空氣再經過室內暖氣的增溫後,因為絕對濕度沒變,但是高溫時的飽和濕度變大,因此相對濕度就會下降非常多。通常室內晾衣僅約半天時間就可以全部晾乾,附帶的好處則是洗好的衣服剛好可以擔任加濕的功能,以避免產生嚴重的靜電與皮膚乾癢等困擾。

結論:若以這則 -16℃的氣溫而言,只會晾到地老天荒還是硬梆梆,最後還是得拿進屋內透過較高的室溫來熔冰,然後藉由比戶外更低的相對濕度來脫除衣物中殘留的水分。畢竟固態冰不像液態水具有毛細現象,織物外層的冰蒸發之後,內層的冰並無法移動到織物表層,這種被封在內層的冰就無法有效被蒸發掉。因此「雪地晾衣服」若是指氣溫或是衣服表面溫度因吸收太陽輻射熱而高於 0℃,只是地面仍有積雪而織物內卻是液態水,那麼雪地晾乾衣服確實可行。

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乾冰的三態變化