Hvordan ændrer vakuum koge- og frysepunktet? – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Niels Bohr Institutet > Spørg om fysik > ? om Fysik > Hvordan ændrer vakuum ...

31. marts 2013

Hvordan ændrer vakuum koge- og frysepunktet?

Jeg har nogle spørgsmål om vakuum køling af planter:

  • Ved vakuum ændres kogepunktet for vand. Ændres frysepunktet også?
  • Og hvad sker der i en plantecelle og spalteåbning (stomata), når man vakuum køler plantemateriale?

Med venlig hilsen
K O D

Den hosstående figur viser fasediagrammet for vand. Kurverne viser ligevægtene imellem vand og is, vand og vanddamp samt is og vanddamp. Den grøntoptrukne kurve er kurven, der viser forholdene imellem is og nederst gas dvs. vanddamp, længere oppe is og vand, og det er altså den her interessante del af kurven.

Vands fasediagram

Ved meget høje tryk omdannes isen til andre krystalformer, som man kalder is II til VII, de er ikke interessante her, det er ved tryk på ca. 200 MPa dvs. mere end ca. 2000 atm. For lige at gøre den sorte kurve færdig, ligevægtskurven imellem vand og vanddamp, så er det den kurve, man bevæger sig på, f.eks. når man har en kedel kogende vand (373 K samt 10-1 MPa), men naturligvis også ved alle temperaturer ned til tripelpunktet. Tripelpunktet, hvor de to kurver går sammen, er det eneste sted, hvor der er ligevægt imellem is, vand og vanddamp. Det anvendes derfor som et velegnet fixpunkt, dvs. et punkt man præcis kan genfremkalde i laboratorierne. Temperaturen er her 0,01 ˚C. Det kritiske punkt er et punkt ved enden af kurven, er hvor der ikke mere er forskelle på vand og vanddamp, og der er altså ikke to faser mere.

Som det ses af den grønne del af kurven, er der ligevægt imellem vanddamp og is på det nederste stykke, og det sker ved varierende temperatur. Bliver temperaturen lavere bliver ligevægtstrykket af vanddampen også lavere. Den kan blive så lavt, at der stort set ikke sker fordampning fra isen, f.eks. Halleys komet og en række andre kometer, som er ”beskidte snebolde” eller isklumper. De får haler nær solen på grund af solens opvarmning af overfladen, bevirker at der sker fordampning. Sollyset viser sig i dette fordampede vand som en hale (som skubbes væk fra solen af lystrykket). Langt væk fra solen sker der næsten ingen fordampning, de har været her i milliarder af år.

Over tripelpunktet kan man også se, at isen og vandets ligevægt er trykafhængige, men ikke voldsomt, så smeltepunktete eller frysepunktet ændres altså med trykket i hele området.

 Tripelpunktet anvendes til præcise temperaturmålinger. Man bruger et simpelt apparat, som vist på figuren, det fryses delvist så der er is, vand og vanddamp i kolben, og man kan så sætte punktet 0,01 ˚C på inddelingen af termometeret, ved at stikke det ønskede termometer ned i center røret.

Tripelpunktscelle

Den anden del af spørgsmålet er biologi og ikke NBI’st emne. Det normale der sker, når man påvirker levende celler med lave tryk, vakuum, er at væsken i cellerne koger og sprænger cellerne, så de dør. Det primære er altså ikke en afkøling med ødelæggelse. Kogningen bevirker principielt en afkøling, idet energien til kogningen tages fra den kogende væske. Man kan altså køle vand ved at udsætte det for vakuum. Det betyder også at man ikke kan få vand til at koge ved 100 ˚C i høje bjerge hvor der er lave tryk. Man kan ikke koge æg eller ris (ca. 80 ˚C) i høje bjerge. Principalt anvendes dette i frysetørring af planter, kaffe supper osv. Hvad der sker med plantemateriale ved moderate lave tryk, må man spørge en botaniker eller biolog om, men så er der næppe nogen særlig køling. Skulle jeg køle plantemateriale ville jeg gøre det i køleskab eller dybfryser altså traditionelt. Det er jo så i alle tilfælde ikke noget, der forskes på NBI.

Med venlig hilsen
Malte Olsen