Nguyên lý sấy thăng hoa có thể được minh họa bằng sơ đồ cân bằng ba pha của nước.

Như chúng ta đã biết, nước có ba pha: rắn, lỏng và khí . Điểm cân bằng ba pha của nước và hơi nước ở nhiệt độ 0,01°C và áp suất 4,6mmHg. Khi áp suất nhỏ hơn 4,6mmHg, nước chỉ tồn tại ở trạng thái rắn và khí và không thay đổi khi nhiệt độ thay đổi. Lúc này, trạng thái rắn hấp thụ nhiệt (nhiệt độ tăng) và trực tiếp chuyển sang trạng thái khí mà không chuyển qua trạng thái lỏng1.

Theo lý thuyết cân bằng pha nhiệt động, khi áp suất giảm đến một mức độ chân không nhất định, điểm sôi và điểm đóng băng của nước sẽ trùng nhau, băng sẽ trực tiếp biến thành hơi nước, nghĩa là sẽ xảy ra sự thăng hoa. Nghĩa là, việc giảm áp suất ở nhiệt độ không đổi hoặc tăng nhiệt độ ở áp suất không đổi có thể phá vỡ sự cân bằng giữa pha rắn và khí, khiến trạng thái rắn chuyển trực tiếp sang trạng thái khí; quá trình đông khô được thực hiện dựa trên nguyên tắc này3,4.