Конденсация пара на стекле

[sergey zhukov]

Часто можно увидеть на стекле такую картину:


Вода конденсируется и замерзает на холодном стекле. В основном стекло покрыто практически сплошным слоем очень мелких кристаллов, которые даже нельзя разглядеть. Но среди этого слоя встречаются одиночные крупные кристаллы, вокруг которых явно видно чистое пространство. Что тут происходит?

Я так понимаю. Все кристаллы погружены в водяной пар и существует динамическое равновесие между их ростом и испарением. Маленькие кристаллы быстро испаряются и могут даже вообще не расти, а большой кристалл испаряется медленее, а растет быстрее. Поэтому над слоем маленьких кристаллов давление водяного пара повышенное, а над крупным кристаллом - пониженное. Если рядом находятся два кристалла - маленький и большой - то маленький кристалл оказывается в зоне низкого давления водяного пара и начинает быстро испаряться, причем все его вещество переходит большому кристаллу. Получается, что большой кристалл вычищает вокруг себя некоторое пространство, поддерживая в нем низкое давление водяного пара.

Точно такая же картина наблюдается и с жидкими каплями вместо кристаллов.

[GraNiNi]

В химии это явление известно - перекристаллизация кристаллов в насыщенном растворе.
Если слой кристаллов разного размера какой-нибудь растворимой соли оставить на длительное время в ее насыщенном растворе, то мелкие кристаллы будут постепенно растворяться, а более крупные расти за их счет.

[slavav]

Кристаллизация выделяет тепло. Крупный кристалл делает стекло вокруг себя теплее. Этого достаточно чтобы замедлить кристаллизацию вокруг него.

[druggist]

GraNiNi в сообщении #1586418 писал(а):

В химии это явление известно

Мне кажется, коалесценция в духе Лифшица-Слезова тут не причем. Скорее, это напоминает рост "правильных" совершенных кристаллов в дефектной матрице(рекристаллизация) Еще один канал уменьшения свободной энергии наряду с образованием одиночных кристаллов это дендритный рост (на фото справа)

[sergey zhukov]

Можно рассмотреть пример попроще - с жидкими каплями. Из физического объяснения процесса конденсации следует, что при заданном давлении водяных паров над поверхностью сферической капли она может находиться только в неустойчивом равновесии и иметь критический радиус. Если размер капли меньше критического, она продолжает испаряться и становиться еще меньше. Если больше критического - продолжает расти.

Допустим, на стекле имеются капли только критического радиуса. Все они неустойчивы. Достаточно одной из них случайно увеличиться, как она будет продолжать расти и далее. При этом давление паров вокруг нее понизится (т.к. пар конденсируются на растущей капле), и мелкие капли вокруг крупной окажутся неустойчивыми. Они будут испаряться.

[druggist]

Любой фп первого рода(такой, например, как конденсация) идет через образование и рост зародышей новой фазы. Лимитирующий процесс - либо зарождение(переохлаждение мало, крит. размер велик, вероятность образования зародыша мала), либо рост. Зарождение может быть также гомогенным и гетерогенным(облегченным) с соответствующим уменьшением крит. размера. В данном случае осаждения паров на подложку он микроскопический. Разница давлений насыщенных паров над макроскопическими(закритическими ) каплями разных размеров может приводить к различной скорости роста капель но не к исчезновению одних за счет других.

[sergey zhukov]

druggist
Рассмотрим замкнутую систему из двух капель критического радиуса (для данного давления пара). Они находятся в неустойчивом равновесии. Если одна из них случайно станет больше, т.е. часть пара конденсируется на ней, то давление паров в системе понизится (система замкнута). Вторая капля при данном уменьшенном давлении паров станет подкритического размера и начнет испаряться. Этот процесс будет развиваться до тех пор, пока одна из капель не исчезнет полностью, перейдя во вторую.

Вообще, как только две капли стали различаться по размеру, одна из них становиться, очевидно, надкритической, а другая - подкритической. Дело в том, что капли больше критического диаметра растут, а меньше критического - испаряются.

[druggist]

sergey zhukov в сообщении #1587515 писал(а):

Рассмотрим замкнутую систему

В данном случае система, конечно же, не замкнутая. Вспомните этот замечательный опыт с каплей на стекле и стоящим рядом стаканом воды: зачем их накрывают стеклянным колпаком?

[sergey zhukov]

druggist
Такого опыта я не видел. Смысл вроде ясен - капля оказывается в стакане, деваться ей больше некуда.

Система, конечно, не замкнутая, но и независимыми друг от друга эти капли тоже ведь нельзя назвать. Молекула, вылетевшая из малой капли, с более высокой вероятностью вернется обратно, если вокруг капли будет пустое пространство или такие же малые капли. Но если рядом есть большая капля и молекула попадет в нее, она уже, вероятно, не вернется обратно, т.к, большая капля испаряется плохо.

[druggist]

sergey zhukov в сообщении #1587520 писал(а):

Такого опыта я не видел.

Странно, что ни гугль, ни яндекс не дают соответствующей картинки. Вся надежда на chatGPT)

[sergey zhukov]

Можно предложить еще такую аналогию, которая, как я думаю, имеет даже больше связи с этим явлением, чем просто поверхностная аналогия.

Возьмем два мыльных пузыря и соединим их трубкой. Если они одного диаметра, они будут находится в неустойчивом равновесии. Но если один слегка больше другого, то он будет все быстрее расти за счет более малого, который будет все быстрее уменьшаться до нуля. Если соединить такой трубкой несколько пузырей, то один из них, самый большой, поглотит все остальные. Даже если система не замкнута (скажем, в трубке есть небольшая дырка), это все равно будет происходить.