Тройная точка - Triple point
В термодинамика, то тройная точка вещества - это температура и давление при котором три фазы (газ, жидкость, и твердый ) этого вещества сосуществуют в термодинамическое равновесие.[1] Это та температура и давление, при которых сублимация изгиб, слияние кривая и испарение кривая встреча. Например, тройная точка Меркурий происходит при температуре -38,83440 ° C (-37,90192 ° F) и давлении 0,2 мПа.
В дополнение к тройной точке для твердой, жидкой и газовой фаз, тройная точка может включать более одной твердой фазы для веществ с несколькими полиморфы. Гелий-4 является частным случаем, который представляет тройную точку, включающую две разные жидкие фазы (лямбда-точка ).[1]
Тройная точка воды был использован для определения кельвин, то базовый блок термодинамической температуры в Международная система единиц (SI).[2] Значение тройной точки воды было зафиксировано по определению, а не измерено, но оно изменилось с Новое определение базовых единиц СИ в 2019 году. Тройные точки нескольких веществ используются для определения точек в ИТС-90 международная температурная шкала: 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 введен в обращение в 1873 г. Джеймс Томсон, брат Лорд Кельвин.[3]
Тройная точка воды
Тройная точка газ – жидкость – твердое тело
 | Эта статья должна быть обновлено. Причина такова: он должен отражать 2019 новое определение базовых единиц СИ, который вступил в силу 20 мая 2019 г. (Январь 2020) |
Единое сочетание давления и температуры, при котором жидкость воды, твердый лед, и водяной пар могут сосуществовать в стабильном равновесии, происходящем 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 частичное давление водяного пара 611,657паскали, 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 давлениях ниже тройной точки (как в космическое пространство ), 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 фазовая диаграмма. 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 увеличение давления приводит к разжижение ).
Давление тройной точки воды использовалось во время Маринер 9 миссия в Марс как ориентир для определения «уровня моря». Более свежие миссии используют лазерная альтиметрия и измерения силы тяжести вместо давления для определения высоты на Марсе.[6]
Фазы высокого давления
При высоких давлениях вода имеет сложную фазовая диаграмма с 15 известными фазы льда и несколько тройных точек, в том числе 10, координаты которых указаны на схеме. Например, тройная точка при 251 К (−22 ° C) и 210 МПа (2070 атм) соответствует условиям сосуществования лед Ih (обычный лед), лед 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).
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 диапазоне 251–273 Ксначала образуется лед I, затем жидкая вода, затем лед III или лед V, а затем другие, еще более плотные, формы под высоким давлением.
| Фазы в устойчивом равновесии | Давление | Температура |
|---|---|---|
| жидкая вода, лед ячас, и водяной пар | 611,657 Па[7] | 273,16 К (0,01 ° С) |
| жидкая вода, лед Iчас, 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 ячас, 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 тройной точки
Ячейки тройной точки используются в калибровка из термометры. Для выполнения сложных работ ячейки тройной точки обычно заполняются химическим веществом высокой степени чистоты, например водородом, аргоном, ртутью или водой (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 его чистота составляет 99,9999%. Когда это клетка на водной основе, изотопический композиция называется VSMOW используется потому, что вариации изотопного состава вызывают небольшие изменения тройной точки. Ячейки с тройной точкой настолько эффективны при достижении высокоточных, воспроизводимых температур, что международный стандарт калибровки термометров называется ИТС – 90 опирается на ячейки тройной точки водород, неон, кислород, аргон, Меркурий, и воды для обозначения шести определенных температурных точек.
Таблица тройных точек
В этой таблице перечислены тройные точки газ – жидкость – твердое тело для нескольких веществ. Если не указано иное, данные поступают из США. Национальное бюро стандартов (сейчас же NIST, Национальный институт стандартов и технологий).[8]
| Вещество | Т [K ] (° C ) | п [кПа ]* (банкомат ) |
|---|---|---|
| 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 | 83,81 К (-189,34 ° 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) |
| Этиловый спирт[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 −скрытая копия -Не-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 (hcp-bcc-He-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 | 13,84 К (-259,31 ° 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 | 234,2 К (-39,0 ° 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 | 24,57 К (-248,58 ° С) | 43,2 кПа (0,426 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 | 54,36 К (-218,79 ° С) | 0,152 кПа (0,00150 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) |
* Примечание: для сравнения типичное атмосферное давление составляет 101,325 кПа (1 атм).
Смотрите также
Рекомендации
- ^ а б ИЮПАК, Сборник химической терминологии, 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (1994) "Тройная точка ". Дои:10.1351 / goldbook.T06502.
- ^ Определение кельвина в BIPM.
- ^ Джеймс Томсон (1873) «Количественное исследование определенных отношений между газообразным, жидким и твердым состояниями воды и вещества», Труды Королевского общества, 22 : 27–36. Из сноски на странице 28: «… три кривые пересекаются или пересекаются в одной точке, которую я назвал тройная точка".
- ^ а б Международные уравнения давления по ходу плавления и кривой сублимации обыкновенного водного вещества.. W. Wagner, A. Saul и A. Pruss (1994), J. Phys. Chem. Ref. Данные, 23, 515.
- ^ а б Мерфи, Д. М. (2005). «Обзор давления пара льда и переохлажденной воды для атмосферных условий». Ежеквартальный журнал Королевского метеорологического общества. 131 (608): 1539–1565. Bibcode:2005QJRMS.131.1539M. Дои:10.1256 / qj.04.94.
- ^ Карр, Майкл Х. (2007). Поверхность Марса. Издательство Кембриджского университета. п.5. ISBN 978-0-521-87201-0.
- ^ Мерфи, Д. М. (2005). «Обзор давления пара льда и переохлажденной воды для атмосферных условий». Ежеквартальный журнал Королевского метеорологического общества. 131 (608): 1539–1565. Bibcode:2005QJRMS.131.1539M. Дои:10.1256 / qj.04.94.
- ^ Cengel, Yunus A .; Тернер, Роберт Х. (2004). Основы теплотехнической науки. Бостон: Макгроу-Хилл. п. 78. ISBN 0-07-297675-6.
- ^ Видеть Бутан (страница данных)
- ^ Видеть Хлороформ (страница данных)
- ^ Видеть Этанол (страница данных)
- ^ Видеть 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. Дои:10.1063/1.556028.
- ^ а б c Hoffer, J. K .; Gardner, W. R .; Waterfield, C.G .; Филлипс, Н. Э. (апрель 1976 г.). «Термодинамические свойства 4Он. II. Фаза ОЦК и фазовые диаграммы P-T и VT ниже 2 K ». Журнал физики низких температур. 23 (1): 63–102. Bibcode:1976JLTP ... 23 ... 63H. Дои:10.1007 / BF00117245. S2CID 120473493.
- ^ Видеть Гексафторэтан (страница данных)
- ^ Валас, С. М. (1990). Оборудование для химических процессов - выбор и проектирование. Амстердам: Эльзевир. п. 639. ISBN 0-7506-7510-1.
- ^ Видеть Изобутан (страница данных)
- ^ "Энциклопедия силанового газа". Энциклопедия газа. Air Liquide. Получено 23 ноября 2020.
внешняя ссылка
СМИ, связанные с Тройная точка в Wikimedia Commons
СМИ, связанные с 