Войти
В термодинамике тройная точка вещества - это температура и давление, при котором три фазы (газ, жидкость и твердое тело ) этого вещества сосуществуют в термодинамическом равновесии. Это та температура и давление, при которых пересекаются кривая сублимации, слияния и кривая испарения. Например, тройная точка ртути возникает при температуре -38,83440 ° C (-37,90192 ° F) и давлении 0,2 m Pa.
в дополнение к тройной точке для твердого вещества, жидкости и газа. фаз тройная точка может включать более одной твердой фазы для веществ с несколькими полиморфами. Гелий-4 - это особый случай, который представляет тройную точку, включающую две разные жидкие фазы (лямбда-точка ).
Тройная точка воды использовалась для определения кельвин, базовая единица термодинамической температуры в Международной системе единиц (СИ). Значение тройной точки воды было зафиксировано по определению, а не измерено., но это изменилось с переопределением 2019 базовых единиц СИ. Тройные точки нескольких веществ используются для определения точек международной температурной шкалы ITS-90, начиная с 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, брат лорда Кельвина.
Типичная фазовая диаграмма. Сплошная зеленая линия относится к большинству веществ; пунктирная зеленая линия показывает аномальное поведение воды . Единственная комбинация давления и температуры, при которой жидкость вода, твердый лед и водяной пар могут сосуществование в стабильном 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). 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 паскалей, тогда систему все равно можно довести до тройная точка 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 давлениях ниже тройной точки (как в космическом пространстве ) 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. Однако для воды это неверно, потому что точка 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 к Марсу в качестве контрольной точки для определения «уровня моря». Более поздние миссии используют лазерную альтиметрию и измерения силы тяжести вместо давления для определения высоты на Марсе.
При высоких давлениях вода имеет комплекс фазовая диаграмма 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 жидкая вода, все в равновесии. Также существуют тройные точки сосуществования трех твердых фаз, например, лед II, лед V и лед VI при 218 К (-55 ° C) и 620 МПа (6120 атм).
Для тех форм льда, которые находятся под высоким давлением и которые могут находиться в равновесии с жидкостью, диаграмма показывает, что точки плавления увеличиваются с увеличением давления. При температуре выше 273 K (0 ° C) увеличение давления водяного пара приводит сначала к жидкой воде, а затем к форме льда под высоким давлением. В интервале 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.
Фазовая диаграмма воды с высоким давлением образует лед II, лед III и т. Д. Ось давления - логарифмическая. Подробное описание этих фаз см. В разделе Лед.| Фазы в устойчивом равновесии | Давление | Температура |
|---|---|---|
| жидкая вода, лед I h и водяной пар | 611,657 Па | 273,16 K (0,01 ° C) |
| жидкая вода, лед I h и лед III | 209,9 МПа | 251 K (-22 ° C) |
| жидкая вода, лед III и лед V | 350,1 МПа | -17,0 ° C |
| жидкая вода, лед V и лед VI | 632,4 МПа | 0,16 ° C |
| лед I h, лед II и лед III | 213 МПа | -35 ° C |
| лед II, лед III и лед V | 344 МПа | -24 ° C |
| лед II, лед V и лед VI | 626 МПа | -70 ° C |
Ячейки тройной точки используются в калибровка 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 тройной точки настолько эффективны при достижении высокоточных, воспроизводимых температур, что международный стандарт калибровки термометров под названием ITS – 90 основан на ячейках тройной точки водорода, неон, кислород, аргон, ртуть и вода для обозначения шести его определенных температурных точек.
В этой таблице перечислены тройные точки газ – жидкость – твердое тело для нескольких веществ. Если не указано иное, данные взяты из Национального бюро стандартов США (теперь NIST, Национальный институт стандартов и технологий).
| Вещество | T [ K ] (°C ) | p [кПа ] * (атм ) |
|---|---|---|
| Ацетилен | 192,4 K (-80,7 ° C) | 120 кПа (1,2 атм) |
| Аммиак | 195,40 K (-77,75 ° C) | 6,060 кПа (0,05981 атм) |
| Аргон | 83,81 K (-189,34 ° C) | 68,9 кПа (0,680 атм) |
| Мышьяк | 1090 K (820 ° C) | 3628 кПа (35,81 атм) |
| бутан | 134,6 K (-138,6 ° C) | 7 × 10 кПа (6,9 × 10 атм) |
| Углерод (графит ) | 4765 K (4492 ° C) | 10 132 кПа (100,00 атм) |
| Двуокись углерода | 216,55 K (-56,60 ° C) | 517 кПа (5,10 атм) |
| Окись углерода | 68,10 K (-205,05 ° C) | 15,37 кПа ( 0,1517 атм) |
| Хлороформ | 175,43 K (-97,72 ° C) | 0,870 кПа (0,00859 атм) |
| Дейтерий | 18,63 K (-254,52 ° C) | 17,1 кПа (0,169 атм) |
| Этан | 89,89 K (-183,26 ° C) | 1,1 · 10 кПа (1,1 · 10 атм) |
| Этанол | 150 K (−123 ° C) | 4,3 × 10 кПа (4,2 × 10 атм) |
| Этилен | 104,0 K (−169,2 ° C) | 0,12 кПа (0,0012 атм) |
| Муравьиная кислота | 281,40 K (8,25 ° C) | 2,2 кПа (0,022 атм) |
| Гелий-4 (лямбда-точка ) | 2,1768 K (−270,9732 ° C) | 5,048 кПа (0,04982 атм) |
| Гелий-4 (hcp - bcc -He- II) | 1,463 K (-271,687 ° C) | 26,036 кПа (0,25696 атм) |
| Гелий-4 (bcc-He-I-He-II) | 1,762 K (-271,388 ° C) | 29,725 кПа (0,29336 атм) |
| Гелий-4 (hcp-bcc-He-I) | 1,772 K (-271,378 ° C) | 30,016 кПа (0,29623 атм) |
| Гексафторэтан | 173,08 K (-100,07 ° C) | 26,60 кПа (0,2625 атм) |
| Водород | 13,84 K (-259,31 ° C) | 7,04 кПа (0,0695 атм) |
| Хлороводород | 158,96 K (-114,19 ° C) | 13,9 кПа (0,137 атм) |
| Йод | 386,65 K (113,50 ° C) | 12,07 кПа (0,1191 атм) |
| Изобутан | 113,55 K (-159,60 ° C) | 1,9481 × 10 кПа (1,9226 × 10 атм) |
| Криптон | 115,7 6 K (-157,39 ° C) | 74,12 кПа (0,7315 атм) |
| Ртуть | 234,2 K (-39,0 ° C) | 1,65 × 10 кПа (1,63 × 10 атм) |
| Метан | 90,68 K (-182,47 ° C) | 11,7 кПа (0,115 атм) |
| Неон | 24,57 K (-248,58 ° C) | 43,2 кПа (0,426 атм) |
| оксид азота | 109,50 K (-163,65 ° C) | 21,92 кПа (0,2163 атм) |
| азот | 63,18 K (-209,97 ° C) | 12,6 кПа (0,124 атм) |
| Закись азота | 182,34 K (-90,81 ° C) | 87,85 кПа (0,8670 атм) |
| Кислород | 54,36 K (-218,79 ° C) | 0,152 кПа (0,00150 атм) |
| Палладий | 1825 K (1552 ° C) | 3,5 × 10 кПа (3,5 × 10 атм) |
| Платина | 2045 K (1772 ° C) | 2 × 10 кПа (2,0 × 10 атм) |
| радон | 202 K (-71 ° C) | 70 кПа (0,69 атм) |
| (моно) Силан | 88,48 K (-184,67 ° C) | 0,019644 кПа (0,00019387 атм) |
| Диоксид серы | 197,69 K (-75,46 ° C) | 1,67 кПа (0,0165 атм) |
| Титан | 1,941 K (1,668 ° C) | 5,3 × 10 кПа (5,2 × 10 атм) |
| гексафторид урана | 337,17 K (64,02 ° C) | 151,7 кПа (1,497 атм) |
| Вода | 273,16 K (0,01 ° C) | 0,611657 кПа (0,00603659 атм) |
| Ксенон | 161,3 K (−111,8 ° C) | 81,5 кПа (0,804 атм) |
| Цинк | 692,65 K (419,50 ° C) | 0,065 кПа (0,00064 атм) |
* Примечание: для сравнения, типичное атмосферное давление составляет 101,325 кПа (1 атм).
Средства массовой информации, относящиеся к Тройной точке в Wikimedia Commons