看不見的鹽，看得見的傷害
給藝術科系學生的鹽害與相圖入門課 — 以黃土水《南國（水牛群像）》環境監測為例

先講一個故事。
你在海邊撿回一顆漂亮的石頭，放在書桌上。幾個月後，石頭表面開始「掉粉」， 出現白白的粉末，甚至一片片剝落。石頭沒有被碰撞、沒有被摔——兇手是誰？

兇手是藏在石頭毛細孔裡的鹽。空氣中的濕氣讓鹽反覆「吸水→溶解→乾掉→變回結晶」， 每變一次，結晶就像小小的千斤頂，把石頭從裡面往外撐。這就是鹽害（鹽風化）—— 全世界石雕、壁畫、磚牆、陶器最常見的劣化原因之一。

這堂課要教你：看懂一張「鹽的天氣預報圖」（相圖）， 學會判讀博物館溫濕度紀錄，知道文物什麼時候安全、什麼時候正在受傷。
課程地圖
  1. 濕度是什麼？— 空氣是一塊海綿
  2. 鹽為什麼會吸水？— 潮解
  3. 鹽變回固體時最可怕 — 結晶壓力
  4. 主角登場：芒硝（Na₂SO₄）的「變身術」
  5. 相圖 = 鹽的地圖
  6. 動手玩：拖拉溫濕度，看鹽的狀態
  7. 真實案例：水牛群像的一整年
  8. 小測驗與詞彙表

1. 濕度是什麼？— 空氣是一塊海綿

「今天濕度 80%」到底是什麼意思？

把空氣想成一塊海綿，水氣就是海綿吸的水。
相對濕度（RH）= 海綿目前吸了幾成滿。
RH 50% = 半滿；RH 100% = 全滿，再多就「擠出來」變成露水或霧。

重要的是：溫度越高，海綿越大塊。同樣多的水氣，在熱天只佔海綿的一小部分（RH 低）， 到了涼爽的夜裡海綿縮小，一下子就快滿了（RH 高）。 所以半夜和清晨濕度最高、下午最低——即使空氣裡的水氣量根本沒變。
同樣多的水氣，溫度不同 → 相對濕度完全不同 ☀️ 熱天 30°C 空氣海綿（大） ⛅ 涼爽 22°C 海綿變小 🌙 寒夜 14°C 海綿更小 RH ≈ 45%（還很空） RH ≈ 70% RH ≈ 95%（快滿了！） 水滴數量（水氣量）三張圖完全一樣——變的只有「海綿」（空氣能容納水氣的量）
圖 1｜為什麼傍晚降溫後濕度會飆高：水氣沒變多，是空氣的「容量」縮小了。
相對濕度（Relative Humidity, RH）表示空氣「離飽和還有多遠」，單位是 %。 它隨溫度一直變動，所以文物監測必須同時記錄溫度與濕度——這正是 IoT 感測器每 10 分鐘做的事。

2. 鹽為什麼會吸水？— 潮解

你一定看過：鹽罐在梅雨季結塊、餅乾沒封好就軟掉。 因為鹽和餅乾都會從空氣中抓水。
更神奇的是，當濕度超過某個門檻，鹽會抓水抓到把自己完全溶解成一滴鹹水—— 這叫潮解（deliquescence）。
潮解：濕度一路升高，鹽發生什麼事？ ① RH 低於門檻 乾燥結晶，安分守己 ② RH 到達門檻 開始抓水，表面出現水膜 ③ RH 高於門檻 鹽水 吸水到把自己完全溶解＝潮解 反過來（濕度下降）就從 ③ 走回 ①——在 ③→① 的路上，鹽會「重新結晶」，這一步最傷文物
圖 2｜潮解三部曲。食鹽的門檻約 RH 75%；每種鹽門檻不同。

每種鹽都有自己的「潮解門檻」。以最熟悉的食鹽（NaCl）為例，門檻大約是 RH 75%：

環境濕度食鹽的狀態
RH 低於 75%乾乾的固體結晶
RH 高於 75%吸水溶解，變成鹽水

這就是為什麼在前一份進階教學的圖裡有一條橘色水平線（75%）——那是食鹽的潮解線。

常見鹽類在攝氏二十度的潮解相對濕度排行榜 以垂直濕度尺比較氯化鎂、氯化鈉、芒硝與硫酸鉀的潮解門檻，並標示台灣博物館常見的百分之六十至八十五相對濕度範圍。 潮解門檻像「吸水開關」：RH 到線才會打開 20°C；門檻越低，越容易從空氣吸水而溶解 台灣博物館常見 RH 60–85% 落在區間內的鹽 可能已經「開啟吸水」 看門檻，不只看鹽名 20% 40% 60% 80% 100% MgCl₂　33% 氯化鎂：一般室內就可能吸水 NaCl　75% 食鹽：常見濕度範圍就可能越線 Na₂SO₄·10H₂O　95.6% 芒硝：要非常潮濕才直接潮解 K₂SO₄　97% 硫酸鉀 RH 上升 → 跨過圓點 → 吸水開關打開 注意：Na₂SO₄ 還會在未潮解前發生「無水鹽 ⇌ 芒硝」變身
圖B｜不同鹽的潮解門檻差很大，環境 RH 跨過各自門檻才會打開吸水開關。（GPT-5.6 Sol／Codex 設計）
潮解門檻 = 這種鹽的飽和鹽水所對應的平衡濕度。濕度在門檻上下來回，鹽就跟著「溶解⇌結晶」來回。

3. 鹽變回固體時最可怕 — 結晶壓力

把一瓶裝滿水的玻璃瓶放進冷凍庫，隔天瓶子裂了——因為水結冰時體積變大，把瓶子撐破。
鹽也一樣：鹹水藏在石頭的毛細孔裡，當濕度下降、水分蒸發， 鹽在孔洞裡重新長出結晶。結晶要長大、需要空間，就把孔壁往外推。 這股力量叫結晶壓力，可以超過石材本身的強度。
一次結晶不會立刻毀掉文物，可怕的是反覆循環： 白天乾（結晶）→ 夜裡濕（溶解）→ 白天又乾（再結晶）…… 一年幾百次循環，就像對石頭做了幾百次「微型爆破」，表面便開始粉化、起鱗、剝落。
結晶壓力：石頭裡的微型千斤頂 石材剖面 毛細孔 結晶長大 1️⃣ 鹹水滲進毛細孔 2️⃣ 濕度下降，水分蒸發 3️⃣ 鹽在孔內重新結晶、長大 4️⃣ 結晶壓力撐裂孔壁 5️⃣ 循環數百次 → 粉化、剝落 就像冷凍庫裡結冰撐破玻璃瓶——只是規模小到看不見，次數多到擋不住
圖 3｜鹽害的直接機制：毛細孔內的結晶壓力可超過石材強度。

4. 主角登場：芒硝（Na₂SO₄）的「變身術」

本案例的主角是硫酸鈉，礦物名芒硝。它被稱為「對石材最凶的鹽」，因為它比食鹽多了一招——變身。它有兩種形態：

無水芒硝 Thenardite十水芒硝 Mirabilite
化學式Na₂SO₄（不帶水）Na₂SO₄·10H₂O（帶 10 個水分子）
像什麼乾燥的粉吸飽水的晶體
什麼時候出現乾燥環境潮濕環境
Thenardite 變成 Mirabilite，就像乾香菇泡水變回大香菇—— 不同的是，這個「泡發」讓體積膨脹到原來的三倍以上，而且發生在石頭毛細孔這種完全沒有伸展空間的地方。
芒硝的「變身術」：吸水膨脹 3 倍的循環 體積 1 無水芒硝 Thenardite Na₂SO₄（乾香菇） 體積 ×3.1 十水芒硝 Mirabilite Na₂SO₄·10H₂O（泡發香菇） 濕度升過「變身線」：抓 10 個水分子 → 膨脹！ 濕度降回線下：放掉水分子 → 收縮、鬆動 在毛細孔裡反覆膨脹/收縮 = 反覆微型爆破（水牛群像展場一年發生 289 次！）
圖 4｜thenardite ⇌ mirabilite 水合循環——芒硝比食鹽更凶的原因。
所以芒硝有兩種傷害模式：
① 跟食鹽一樣的「溶解⇌結晶」循環；
② 獨門絕招「無水⇌十水」變身循環，每次變身都伴隨巨大體積變化。
環境溫濕度只要在門檻附近擺盪，這兩種循環就天天上演。

5. 相圖 = 鹽的地圖

科學家 Steiger 與 Asmussen 在 2008 年精確算出了芒硝在每個溫度、每個濕度下「應該是什麼形態」， 畫成一張圖——相圖（phase diagram）。「相」就是「形態/狀態」的意思。

相圖其實就是一張地圖：橫軸是溫度、縱軸是濕度， 圖上每一點代表一種「天氣」。地圖被兩條藍色的線分成三個國家：
🔴 溶液國（右上高濕度區）：鹽全部溶成鹹水。
🟢 十水芒硝國（中間區）：吸飽水的 Mirabilite 最穩定。
🟠 無水芒硝國（下方乾燥區）：乾燥的 Thenardite 最穩定。

兩條藍線的白話翻譯：

線白話名稱跨越時發生什麼事
上藍線（潮解線）「溶解線」往上跨：鹽溶成水（看似平靜）。
往下跨：鹹水瞬間長出結晶 → 結晶壓力爆發，最危險！
下藍線（水合線）「變身線」往上跨：無水→十水，體積暴脹三倍。
往下跨：十水→無水，收縮鬆動。反覆跨越 = 反覆爆破。

兩條線在約 32.4 °C 交會後合而為一（溫度夠高時十水芒硝不再出現）。 記住一件事就好：資料點離線越近、跨線越頻繁，文物越危險。

一天之內就能完成一次「爆破循環」 一天的時間 相對濕度 午夜清晨中午下午深夜 變身線（thenardite ⇌ mirabilite） 夜裡濕度高 → 十水芒硝（膨脹狀態） 白天濕度低 → 脫水成無水芒硝 ⚡ 上午：跨線脫水 ⚡ 夜間：跨線水合 每個 ⚡ 都是一次相變。日夜溫濕度的自然節奏，就足以讓鹽天天「變身」。
圖 5｜為什麼監測資料一年會跨線近 300 次：日夜循環本身就會反覆穿越變身線。
一天不是一個點，而是在「溫濕度地圖」上走一圈 ① 清晨最濕 → ② 升溫變乾：⚡跨過變身線＝脫水（十水芒硝 → 無水芒硝） ③ 下午最乾 → ④ 降溫回濕：⚡跨回變身線＝水合（無水 → 十水，體積脹 3 倍）→ 回到 ① 10203040 40557085100 溫度（°C）→ 相對濕度 RH（%）→ 鹽水區（鹽全溶） 芒硝區（含 10 個水） 無水芒硝區（乾燥） 潮解線 變身線 三相點 32.38°C／87.42% ⚡⚡ ① 清晨｜最濕 ② ⚡脫水 ③ 下午｜最熱最乾 ④ ⚡水合 紅色迴圈＝一天的旅程；每碰到藍色虛線一次（⚡），鹽就變身一次，一年近 300 次
圖C｜把一天的溫濕度畫在相圖上，封閉軌跡與藍線的交點就是鹽變身的時刻。（GPT-5.6 Sol／Codex 設計）

6. 動手玩：拖拉溫濕度，看鹽的狀態

拖動下面兩個滑桿，模擬展場的溫濕度，看看芒硝現在在哪個「國家」：

7. 真實案例：水牛群像的一整年

黃土水《南國（水牛群像）》的展示環境裝了兩組感測器， 2021-08-09 ～ 2022-09-22 共記錄 53,779 筆溫濕度（約每 10 分鐘一筆）。 把每一筆畫到相圖上：

7.1 周邊環境（展場空氣）— 有狀況

周邊環境相圖
綠點 = 十水芒硝國、橘點 = 無水芒硝國、紅點 = 溶液國。 資料雲橫跨「變身線」（下藍線），少數點衝進溶液國。
判讀結果：
① 一年內資料跨越「變身線」289 次（脫水 145 次＋水合 144 次）—— 若展場的牆面、石材含有芒硝，等於一年被「微型爆破」近三百次。
② 跨越「溶解線」14 次，集中在 2022-04-24、2022-07-04～05、2022-07-10～12 （濕度衝到 93–94% 的日子）。其中 7 次是「從溶液變回結晶」——結晶壓力發生的確切時刻。
時間軸
同一批資料照時間排開：顏色 = 當下所在的相區。可以清楚看到全年在綠（十水）與橘（無水）之間來回跳動。

7.2 文物微環境（展示櫃內）— 安全

微環境相圖
展示櫃內 53,779 筆資料全部落在無水芒硝國（濕度最高只到 66.9%），一次也沒跨線。
展示櫃如何保護鹽害敏感作品 左右對照展場空氣與展示櫃微環境。展場溫濕度波動並多次跨越鹽的相變線，展示櫃內濕度平穩，全年零次跨線。 展示櫃像「緩衝海綿」：把外界的大波浪變小 展場空氣 門窗、人潮、天氣都會推動溫濕度 鹽的變身線 一年跨越變身邊界 289 次 其中跨越潮解線 14 次 展示櫃 削弱波動 展示櫃內微環境 鹽的變身線 全年 0 次跨線｜RH 最高 66.9% 保護重點：不是讓環境完全不變，而是避免越過危險門檻
圖A｜展示櫃把展場溫濕度的大波動變小，讓微環境全年不跨越鹽害門檻。（GPT-5.6 Sol／Codex 設計）
這正是「微環境控制」的價值：把文物包進一個永遠不跨線的小氣候裡， 鹽即使存在也只能保持同一種形態，無法作亂。 展示櫃保護了水牛群像本體；需要留意的是暴露在周邊環境中的建築與材料。

8. 小測驗

Q1. 為什麼半夜濕度通常比下午高？
溫度下降＝「空氣海綿」縮小，同樣的水氣佔比變高，RH 就上升。
Q2. 對文物來說，「濕度衝到 95% 溶解鹽」和「濕度從 95% 掉回 90%」哪個瞬間更危險？
掉回來的瞬間——鹹水重新結晶，結晶壓力在毛細孔內爆發。溶解本身反而安靜。
Q3. 展場溫度 25°C、濕度整天在 79%～83% 之間擺盪。用第 6 節的小工具查查看：這對含芒硝的石材是好消息還是壞消息？
壞消息！25°C 的「變身線」約在 80.7%，濕度整天在線的兩側來回 = 無水⇌十水反覆變身，正是最傷的情況。

9. 詞彙表

相對濕度 RH
空氣中水氣的「飽和程度」，0～100%。隨溫度變動。
潮解 (deliquescence)
濕度超過門檻時，鹽吸水吸到把自己溶成鹽水。
結晶壓力
鹽在毛細孔內結晶長大時，推擠孔壁的力量；是鹽害的直接原因。
無水芒硝 Thenardite
Na₂SO₄，不含結晶水的乾燥形態。
十水芒硝 Mirabilite
Na₂SO₄·10H₂O，帶 10 個水分子的形態，由無水形態吸水「變身」而來，體積大三倍以上。
相 (phase) / 相圖 (phase diagram)
「相」= 物質的形態；相圖 = 標出每種溫濕度下哪個形態最穩定的地圖。
相邊界（藍線）
兩個相區的分界線。跨越 = 發生相變（溶解、結晶、水合、脫水）。
微環境
展示櫃、畫框內側等貼近文物的小氣候，可與展場大環境完全不同。

10. 想更深入？

看完這一課，你可以挑戰進階版 Na2SO4_Steiger_teaching.html： 裡面有 Steiger 理論的完整數學、Python 與 R 程式碼、以及全部 303 次跨線事件的清單； 也可以打開互動相圖 interactive_phase_peripheral.html， 滑鼠指到任何一個資料點就會顯示確切的日期時間。

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