В термодинамике , то тройная точка вещества является температура и давление , при котором три фазы ( газа , жидкости и твердого вещества ) этого вещества сосуществуют в термодинамическом равновесии . [1] Это температура и давление, при которых пересекаются кривая сублимации, кривая плавления и кривая испарения . Например, тройная точка ртути происходит при температуре -38.83440 ° C (-37.90192 ° F) и давлении 0,165 м Па .
Помимо тройной точки для твердой, жидкой и газовой фаз, тройная точка может включать более одной твердой фазы для веществ с несколькими полиморфными модификациями . Гелий-4 - это особый случай, который представляет собой тройную точку, включающую две разные жидкие фазы ( лямбда-точку ). [1]
Тройная точка воды использовалась для определения кельвина , базовой единицы термодинамической температуры в Международной системе единиц (СИ). [2] Значение тройной точки воды было фиксированным по определению, а не измеренным, но это изменилось с переопределением базовых единиц СИ в 2019 году . Тройные точки нескольких веществ используются для определения точек по международной температурной шкале ITS-90 , в диапазоне от тройной точки водорода (13,8033 K) до тройной точки воды (273,16 K, 0,01 ° C или 32,018 ° F). .
Термин «тройная точка» был придуман в 1873 году Джеймсом Томсоном , братом лорда Кельвина . [3]
Тройная точка воды [ править ]
Тройная точка газ – жидкость – твердое тело [ править ]
 | Эта статья нуждается в обновлении . Приводится следующая причина: он должен отражать новое определение базовых единиц СИ в 2019 году , которое вступило в силу 20 мая 2019 года. ( Январь 2020 г. ) |
Единственная комбинация давления и температуры, при которой жидкая вода , твердый лед и водяной пар могут сосуществовать в устойчивом равновесии, происходит примерно при 273,1575 К (0,0075 ° C; 32,0135 ° F) и парциальном давлении пара 611,657 паскалей (6,11657 мбар; 0,00603659 атм). [4] [5] В этот момент можно превратить все вещество в лед, воду или пар, сделав сколь угодно малые изменения давления и температуры. Даже если общее давление в системе намного выше тройной точки воды, при условии, что парциальное давление водяного пара составляет 611,657 Па., то систему еще можно довести до тройной точки воды. Строго говоря, поверхности, разделяющие разные фазы, также должны быть идеально плоскими, чтобы свести на нет эффекты поверхностного натяжения.
Тройная точка воды газ – жидкость – твердое тело соответствует минимальному давлению, при котором может существовать жидкая вода. При давлении ниже тройной точки (как в космосе ) твердый лед при нагревании при постоянном давлении превращается непосредственно в водяной пар в процессе, известном как сублимация . Выше тройной точки твердый лед при нагревании при постоянном давлении сначала тает с образованием жидкой воды, а затем испаряется или кипит с образованием пара при более высокой температуре.
Для большинства веществ тройная точка газ – жидкость – твердое тело также является минимальной температурой, при которой может существовать жидкость. Для воды, однако, это не так, потому что температура плавления обычного льда уменьшается в зависимости от давления, как показано пунктирной зеленой линией на фазовой диаграмме . При температурах чуть ниже тройной точки сжатие при постоянной температуре превращает водяной пар сначала в твердый, а затем в жидкий (водяной лед имеет меньшую плотность, чем жидкая вода, поэтому повышение давления приводит к сжижению ).
Давление воды в тройной точке использовалось во время миссии Mariner 9 на Марс в качестве ориентира для определения «уровня моря». Более поздние миссии используют лазерную альтиметрию и измерения силы тяжести вместо давления для определения высоты на Марсе. [6]
Фазы высокого давления [ править ]
При высоких давлениях вода имеет сложную фазовую диаграмму с 15 известными фазами льда и несколькими тройными точками, в том числе 10, координаты которых показаны на диаграмме. Например, тройная точка при 251 К (-22 ° C) и 210 МПа (2070 атм) соответствует условиям сосуществования льда Ih (обычный лед), льда III и жидкой воды, причем все они находятся в равновесии. Также существуют тройные точки сосуществования трех твердых фаз, например льда II , льда V и льда VI при 218 К (-55 ° C) и 620 МПа (6120 атм).
Диаграмма показывает, что точки плавления тех форм льда, которые находятся под высоким давлением и могут находиться в равновесии с жидкостью, с увеличением давления. При температурах выше 273 K (0 ° C) увеличение давления водяного пара приводит сначала к жидкой воде, а затем к форме льда под высоким давлением. В диапазонеПри температуре 251–273 К сначала образуется лед I, затем жидкая вода, затем лед III или лед V, а затем другие, еще более плотные, формы высокого давления.
| Фазы в устойчивом равновесии | Давление | Температура |
|---|---|---|
| жидкая вода, лед I h и водяной пар | 611,657 Па [7] | 273,16 К (0,01 ° С) |
| жидкая вода, лед I h и лед III | 209,9 МПа | 251 К (-22 ° С) |
| жидкая вода, лед III и лед V | 350,1 МПа | -17,0 ° С |
| жидкая вода, лед V и лед VI | 632,4 МПа | 0,16 ° С |
| лед I h , лед II и лед III | 213 МПа | −35 ° С |
| лед II, лед III и лед V | 344 МПа | −24 ° С |
| лед II, лед V и лед VI | 626 МПа | −70 ° С |
Ячейки с тройной точкой [ править ]
Тройная точка клетка используется в калибровке из термометров . Для выполнения сложных работ, ячейки тройной точки обычно заполняются химическим веществом высокой степени чистоты, таким как водород, аргон, ртуть или вода (в зависимости от желаемой температуры). Чистота этих веществ может быть такой, что только одна часть на миллион является загрязняющим веществом, называемым «шесть девяток», потому что она имеет чистоту 99,9999%. Когда это ячейка на водной основе, используется особый изотопный состав, называемый VSMOW, потому что вариации в изотопном составе вызывают небольшие изменения в тройной точке. Ячейки с тройной точкой настолько эффективны при достижении высокоточных, воспроизводимых температур, что международный стандарт калибровки для термометров называется ITS – 90полагается на ячейки с тройными точками из водорода , неона , кислорода , аргона , ртути и воды для определения шести из определенных температурных точек.
Таблица тройных точек [ править ]
В этой таблице перечислены тройные точки газ – жидкость – твердое тело для нескольких веществ. Если не указано иное, данные поступают из Национального бюро стандартов США (ныне NIST , Национальный институт стандартов и технологий). [8]
| Вещество | Т [ К ] ( ° C ) | p [ кПа ] * ( атм ) |
|---|---|---|
| Ацетилен | 192,4 К (-80,7 ° С) | 120 кПа (1,2 атм) |
| Аммиак | 195,40 К (-77,75 ° С) | 6,060 кПа (0,05981 атм) |
| Аргон | 83,8058 К (-189,3442 ° С) | 68,9 кПа (0,680 атм) |
| Мышьяк | 1090 К (820 ° С) | 3628 кПа (35,81 атм) |
| Бутан [9] | 134,6 К (-138,6 ° С) | 7 × 10 −4 кПа (6,9 × 10 −6 атм) |
| Углерод ( графит ) | 4765 К (4492 ° С) | 10 132 кПа (100,00 атм) |
| Углекислый газ | 216,55 К (-56,60 ° С) | 517 кПа (5,10 атм) |
| Монооксид углерода | 68,10 К (-205,05 ° С) | 15,37 кПа (0,1517 атм) |
| Хлороформ [10] | 175,43 К (-97,72 ° С) | 0,870 кПа (0,00859 атм) |
| Дейтерий | 18,63 К (-254,52 ° С) | 17,1 кПа (0,169 атм) |
| Этан | 89,89 К (-183,26 ° С) | 1,1 × 10 −3 кПа (1,1 × 10 −5 атм) |
| Этанол [11] | 150 К (-123 ° С) | 4,3 × 10 -7 кПа (4,2 × 10 -9 атм) |
| Этилен | 104,0 К (-169,2 ° С) | 0,12 кПа (0,0012 атм) |
| Муравьиная кислота [12] | 281,40 К (8,25 ° С) | 2,2 кПа (0,022 атм) |
| Гелий-4 ( лямбда-точка ) [13] | 2,1768 К (-270,9732 ° С) | 5,048 кПа (0,04982 атм) |
| Гелий-4 ( hcp - bcc −He-II) [14] | 1,463 К (-271,687 ° С) | 26,036 кПа (0,25696 атм) |
| Гелий-4 (bcc − He-I − He-II) [14] | 1,762 К (-271,388 ° С) | 29,725 кПа (0,29336 атм) |
| Гелий-4 (ГПУ-ОЦК-Не-I) [14] | 1,772 К (-271,378 ° С) | 30,016 кПа (0,29623 атм) |
| Гексафторэтан [15] | 173,08 К (-100,07 ° С) | 26,60 кПа (0,2625 атм) |
| Водород | 13,8033 К (-259,3467 ° С) | 7,04 кПа (0,0695 атм) |
| Хлористый водород | 158,96 К (-114,19 ° С) | 13,9 кПа (0,137 атм) |
| Йод [16] | 386,65 К (113,50 ° С) | 12,07 кПа (0,1191 атм) |
| Изобутан [17] | 113,55 К (-159,60 ° С) | 1,9481 × 10 -5 кПа (1,9226 × 10 -7 атм) |
| Криптон | 115,76 К (-157,39 ° С) | 74,12 кПа (0,7315 атм) |
| Меркурий | 234,3156 К (-38,8344 ° С) | 1,65 × 10 -7 кПа (1,63 × 10 -9 атм) |
| Метан | 90,68 К (-182,47 ° С) | 11,7 кПа (0,115 атм) |
| Неон | 24,5561 К (-248,5939 ° С) | 43,332 кПа (0,42765 атм) |
| Оксид азота | 109,50 К (-163,65 ° С) | 21,92 кПа (0,2163 атм) |
| Азот | 63,18 К (-209,97 ° С) | 12,6 кПа (0,124 атм) |
| Оксид азота | 182,34 К (-90,81 ° С) | 87,85 кПа (0,8670 атм) |
| Кислород | 54,3584 К (-218,7916 ° С) | 0,14625 кПа (0,0014434 атм) |
| Палладий | 1825 К (1552 ° С) | 3,5 × 10 −3 кПа (3,5 × 10 −5 атм) |
| Платина | 2045 К (1772 ° С) | 2 × 10 −4 кПа (2,0 × 10 −6 атм) |
| Радон | 202 К (-71 ° С) | 70 кПа (0,69 атм) |
| (моно) Силан [18] | 88,48 К (-184,67 ° С) | 0,019644 кПа (0,00019387 атм) |
| Диоксид серы | 197,69 К (-75,46 ° С) | 1,67 кПа (0,0165 атм) |
| Титана | 1,941 К (1,668 ° С) | 5,3 × 10 −3 кПа (5,2 × 10 −5 атм) |
| Гексафторид урана | 337,17 К (64,02 ° С) | 151,7 кПа (1,497 атм) |
| Вода [4] [5] | 273,16 К (0,01 ° С) | 0,611657 кПа (0,00603659 атм) |
| Ксенон | 161,3 К (-111,8 ° С) | 81,5 кПа (0,804 атм) |
| Цинк | 692,65 К (419,50 ° С) | 0,065 кПа (0,00064 атм) |
Примечания:
- Для сравнения, типичное атмосферное давление составляет 101,325 кПа (1 атм).
- До нового определения единиц СИ тройная точка воды, 273,16 К, была точным числом.
См. Также [ править ]
- Критическая точка (термодинамика)
- Правило фаз Гиббса
Ссылки [ править ]
- ^ a b ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн исправленная версия: (1994) « Тройная точка ». DOI : 10.1351 / goldbook.T06502 .
- ^ Определение кельвина в BIPM.
- ^ Джеймс Томсон (1873) "Количественное исследование определенных отношений между газообразным, жидким и твердым состояниями воды и вещества" , Proceedings of the Royal Society , 22 : 27–36. Из сноски на странице 28: «… три кривые пересекаются или пересекаются в одной точке, которую я назвал тройной точкой ».
- ^ a b Международные уравнения для давления вдоль кривой плавления и сублимации обычных водных веществ . W. Wagner, A. Saul и A. Pruss (1994), J. Phys. Chem. Ref. Данные, 23 , 515.
- ^ a b Мерфи, DM (2005). «Обзор давления пара льда и переохлажденной воды для атмосферных применений» . Ежеквартальный журнал Королевского метеорологического общества . 131 (608): 1539–1565. Bibcode : 2005QJRMS.131.1539M . DOI : 10.1256 / qj.04.94 .
- ^ Карр, Майкл Х. (2007). Поверхность Марса . Издательство Кембриджского университета. п. 5 . ISBN 978-0-521-87201-0.
- ^ Мерфи, DM (2005). «Обзор давления пара льда и переохлажденной воды для атмосферных применений» . Ежеквартальный журнал Королевского метеорологического общества . 131 (608): 1539–1565. Bibcode : 2005QJRMS.131.1539M . DOI : 10.1256 / qj.04.94 .
- ^ Cengel, Юнус А .; Тернер, Роберт Х. (2004). Основы теплотехнических наук . Бостон: Макгроу-Хилл. п. 78. ISBN 0-07-297675-6.
- ^ См. Бутан (страница данных)
- ^ См. Хлороформ (страница данных)
- ^ См. Этанол (страница данных)
- ^ См. Муравьиная кислота (страница данных)
- ^ Доннелли, Рассел Дж .; Баренги, Карло Ф. (1998). «Наблюдаемые свойства жидкого гелия при давлении насыщенного пара». Журнал физических и химических справочных данных . 27 (6): 1217–1274. Bibcode : 1998JPCRD..27.1217D . DOI : 10.1063 / 1.556028 .
- ^ a b c Хоффер, JK; Гарднер, WR; Waterfield, CG; Филлипс, NE (апрель 1976 г.). «Термодинамические свойства 4 He. II. ОЦК фаза и фазовые диаграммы PT и VT ниже 2 K». Журнал физики низких температур . 23 (1): 63–102. Bibcode : 1976JLTP ... 23 ... 63H . DOI : 10.1007 / BF00117245 . S2CID 120473493 .
- ^ См. Гексафторэтан (страница данных)
- ^ Walas, SM (1990). Оборудование для химических процессов - выбор и проектирование . Амстердам: Эльзевир. п. 639. ISBN. 0-7506-7510-1.
- ^ См. Изобутан (страница данных)
- ^ "Силан-газовая энциклопедия" . Газовая энциклопедия . Air Liquide . Проверено 10 февраля 2021 года .
Внешние ссылки [ править ]
- СМИ, связанные с Triple Point на Викискладе?
