Potrójny punkt - Triple point

W termodynamiki The punktu potrójnego substancji jest temperatura i ciśnienie , w którym trzy etapy ( gaz , ciecz i ciało stałe ) tej substancji współistnieją w równowadze termodynamicznej . Jest to temperatura i ciśnienie, w których spotykają się krzywa sublimacji , fuzji i waporyzacji . Na przykład punktu potrójnego rtęci odbywa się w temperaturze -38.83440 -37.90192 ° C (° F) i pod ciśnieniem 0,165 m Pa .

Oprócz punktu potrójnego dla fazy stałej, ciekłej i gazowej, punkt potrójny może obejmować więcej niż jedną fazę stałą w przypadku substancji o wielu polimorfach . Hel-4 to szczególny przypadek, w którym występuje punkt potrójny obejmujący dwie różne fazy płynów ( punkt lambda ).

Punkt potrójny wody został użyty do określenia kelwina , podstawowej jednostki temperatury termodynamicznej w międzynarodowym układzie jednostek (SI). Wartość punktu potrójnego wody została z definicji ustalona, ​​a nie zmierzona, ale zmieniło się to wraz z redefinicją jednostek podstawowych SI w 2019 roku . Punkty potrójne kilku substancji służą do określania punktów w międzynarodowej skali temperatur ITS-90 , od punktu potrójnego wodoru (13,8033 K) do punktu potrójnego wody (273,16 K, 0,01 ° C lub 32,018 ° F) .

Termin „potrójny punkt” został ukuty w 1873 roku przez Jamesa Thomsona , brata Lorda Kelvina .

Potrójny punkt wody

Punkt potrójny gaz-ciecz-ciało stałe

Typowy diagram fazowy . Ciągła zielona linia dotyczy większości substancji; przerywana zielona linia daje anomalne zachowanie wody

Pojedyncza kombinacja ciśnienia i temperatury, w której ciekła woda , stały lód i para wodna mogą współistnieć w stabilnej równowadze, występuje dokładnie w temperaturze 273,1600 K (0,0100 °C; 32,0180 °F) i przy cząstkowym ciśnieniu pary 611,657 paskali (6,11657 mbar; 0,00603659 atm). W tym momencie można zmienić całą substancję w lód, wodę lub parę, dokonując dowolnie małych zmian ciśnienia i temperatury. Nawet jeśli całkowite ciśnienie systemu jest znacznie powyżej punktu potrójnego wody, pod warunkiem, że ciśnienie cząstkowe pary wodnej wynosi 611.657  paskali , system nadal może zostać doprowadzony do punktu potrójnego wody. Ściśle mówiąc, powierzchnie oddzielające różne fazy również powinny być idealnie płaskie, aby zniwelować skutki napięcia powierzchniowego.

Punkt potrójny gaz-ciecz-ciało stałe odpowiada minimalnemu ciśnieniu, pod jakim może istnieć woda w stanie ciekłym. Przy ciśnieniu poniżej punktu potrójnego (jak w przestrzeni kosmicznej ), stały lód po podgrzaniu pod stałym ciśnieniem jest przekształcany bezpośrednio w parę wodną w procesie zwanym sublimacją . Powyżej punktu potrójnego stały lód po podgrzaniu pod stałym ciśnieniem najpierw topi się, tworząc ciekłą wodę, a następnie odparowuje lub wrze, tworząc parę w wyższej temperaturze.

Dla większości substancji punkt potrójny gaz-ciecz-ciało stałe jest również minimalną temperaturą, w której może istnieć ciecz. W przypadku wody nie jest to jednak prawdą, ponieważ temperatura topnienia zwykłego lodu spada w funkcji ciśnienia, co pokazuje przerywana zielona linia na wykresie fazowym . W temperaturach tuż poniżej punktu potrójnego sprężanie w stałej temperaturze najpierw przekształca parę wodną w ciało stałe, a następnie w ciecz (lód wodny ma mniejszą gęstość niż woda w stanie ciekłym, więc rosnące ciśnienie prowadzi do upłynnienia ).

Trzypunktowe ciśnienie wody zostało użyte podczas misji Mariner 9 na Marsa jako punkt odniesienia do określenia „poziomu morza”. Nowsze misje wykorzystują laserowe pomiary wysokości i grawitacji zamiast ciśnienia do określenia wysokości na Marsie.

Woda wrząca w temperaturze 0ºC za pomocą pompy próżniowej.

Fazy ​​wysokociśnieniowe

Przy wysokim ciśnieniu woda ma złożony diagram fazowy z 15 znanymi fazami lodu i kilkoma potrójnymi punktami, w tym 10, których współrzędne są pokazane na diagramie. Na przykład punkt potrójny przy 251 K (-22°C) i 210 MPa (2070 atm) odpowiada warunkom współistnienia lodu Ih (zwykłego lodu), lodu III i ciekłej wody, wszystko w równowadze. Istnieją również punkty potrójne dla współistnienia trzech faz stałych, na przykład lód II , lód V i lód VI w 218 K (-55 ° C) i 620 MPa (6120 atm).

Dla tych form lodu o wysokim ciśnieniu, które mogą istnieć w równowadze z cieczą, wykres pokazuje, że temperatura topnienia wzrasta wraz z ciśnieniem. W temperaturach powyżej 273 K (0 °C) zwiększenie ciśnienia pary wodnej powoduje najpierw powstanie wody w stanie ciekłym, a następnie lodu pod wysokim ciśnieniem. W zasięgu251–273 K , najpierw tworzy się lód I, następnie woda w stanie ciekłym, a następnie lód III lub lód V, a następnie inne jeszcze gęstsze formy wysokociśnieniowe.

Diagram fazowy wody z uwzględnieniem form wysokiego ciśnienia lód II, lód III itd. Oś ciśnienia jest logarytmiczna. Aby uzyskać szczegółowe opisy tych faz, zobacz Lód .
Różne potrójne punkty wody
Fazy ​​w stabilnej równowadze Nacisk Temperatura
ciekła woda, lód I h i para wodna 611.657 Pa 273,16 K (0,01 °C)
ciekła woda, lód I h i lód III 209,9 MPa 251 K (-22 ° C)
ciekła woda, lód III i lód V 350,1 MPa -17,0 °C
ciekła woda, lód V i lód VI 632,4 MPa 0,16°C
lód I h , lód II i lód III 213 MPa -35°C
lód II, lód III i lód V 344 MPa -24°C
lód II, lód V i lód VI 626 MPa −70 °C

Komórki trójpunktowe

Komórki trzypunktowym są stosowane w kalibracji z termometrem . Do wymagającej pracy ogniwa trójpunktowe są zwykle wypełnione wysoce czystą substancją chemiczną, taką jak wodór, argon, rtęć lub woda (w zależności od pożądanej temperatury). Czystość tych substancji może być taka, że ​​tylko jedna część na milion jest zanieczyszczeniem zwanym „sześć dziewiątek”, ponieważ ma czystość 99,9999%. Kiedy jest to komórka na bazie wody, stosuje się specyficzną kompozycję izotopową zwaną VSMOW, ponieważ zmiany w składzie izotopowym powodują niewielkie zmiany w punkcie potrójnym. Ogniwa trójpunktowe są tak skuteczne w osiąganiu wysoce precyzyjnych, powtarzalnych temperatur, że międzynarodowy standard kalibracji termometrów zwany ITS-90 opiera się na ogniwach trójpunktowych z wodoru , neonu , tlenu , argonu , rtęci i wody do wyznaczenia sześciu z nich. określone punkty temperatury.

Tabela punktów potrójnych

W tej tabeli wymieniono punkty potrójne gaz-ciecz-ciało stałe kilku substancji. O ile nie zaznaczono inaczej, dane pochodzą z amerykańskiego Krajowego Biura Standardów (obecnie NIST , Narodowy Instytut Standardów i Technologii).

Substancja T [ K ] ( °C ) p [ kPa ]* ( atm )
Acetylen 192,4 K (-80,7 ° C) 120 kPa (1,2 atm)
Amoniak 195,40 K (-77,75 ° C) 6,060 kPa (0,05981 atm)
Argon 83,8058 K (-189,3442 ° C) 68,9 kPa (0,680 atm)
Arsen 1090 K (820 °C) 3628 kPa (35,81 atm)
Butan 134,6 K (-138,6 ° C) 7 × 10 -4  kPa (6,9 × 10 -6  atm)
Węgiel ( grafit ) 4765 K (4492 °C) 10 132 kPa (100,00 atm)
Dwutlenek węgla 216,55 K (-56,60 ° C) 517 kPa (5,10 atm)
Tlenek węgla 68,10 K (−205,05 °C) 15,37 kPa (0,1517 atm)
Chloroform 175,43 K (-97,72 ° C) 0,870 kPa (0,00859 atm)
Deuter 18,63 K (-254,52 ° C) 17,1 kPa (0,169 atm)
Etan 89,89 K (-183,26 ° C) 1,1 × 10 -3  kPa (1,1 × 10 -5  atm)
Etanol 150 K (-123 ° C) 4,3 × 10 -7  kPa (4,2 × 10 -9  atm)
Etylen 104,0 K (-169,2 ° C) 0,12 kPa (0,0012 atm)
Kwas mrówkowy 281,40 K (8,25 °C) 2,2 kPa (0,022 atm)
Hel-4 ( punkt lambda ) 2.1768 K (-270,9732 ° C) 5,048 kPa (0,04982 atm)
Hel-4 ( hcpbcc −He-II) 1,463 K (-271.687 ° C) 26,036 kPa (0,25696 atm)
Hel-4 (bcc-He-I-He-II) 1,762 K (-271,388°C) 29,725 kPa (0,29336 atm)
Hel-4 (hcp-bcc-He-I) 1,772 K (-271,378 ° C) 30,016 kPa (0,29623 atm)
Heksafluoroetan 173,08 K (-100,07 ° C) 26,60 kPa (0,2625 atm)
Wodór 13,8033 K (-259,3467 °C) 7,04 kPa (0,0695 atm)
Chlorek wodoru 158,96 K (-114,19 ° C) 13,9 kPa (0,137 atm)
Jod 386,65 K (113,50 °C) 12,07 kPa (0,1191 atm)
Izobutan 113,55 K (-159,60 °C) 1,9481 × 10 -5  kPa (1,9226 × 10 -7  atm)
Krypton 115,76 K (-157,39 ° C) 74,12 kPa (0,7315 atm)
Rtęć 234,3156 K (-38,8344 ° C) 1,65 × 10 -7  kPa (1,63 × 10 -9  atm)
Metan 90,68 K (-182,47 ° C) 11,7 kPa (0,115 atm)
Neon 24,5561 K (-248,5939 °C) 43,332 kPa (0,42765 atm)
Tlenek azotu 109,50 K (-163,65 ° C) 21,92 kPa (0,2163 atm)
Azot 63,18 K (-209,97 ° C) 12,6 kPa (0,124 atm)
Podtlenek azotu 182,34 K (-90,81 ° C) 87,85 kPa (0,8670 atm)
Tlen 54,3584 K (-218,7916 °C) 0,14625 kPa (0,0014434 atm)
Paladium 1825 K (1552 °C) 3,5 × 10 -3  kPa (3,5 × 10 -5  atm)
Platyna 2045 K (1772 °C) 2 × 10 -4  kPa (2,0 × 10 -6  atm)
Radon 202 K (-71 ° C) 70 kPa (0,69 atm)
(mono)silan 88,48 K (-184,67 ° C) 0,019644 kPa (0,0019387 atm)
Dwutlenek siarki 197,69 K (-75,46 ° C) 1,67 kPa (0,0165 atm)
Tytan 1.941 K (1668 °C) 5,3 × 10 -3  kPa (5,2 × 10 -5  atm)
Sześciofluorek uranu 337,17 K (64,02 °C) 151,7 kPa (1,497 atm)
Woda 273,16 K (0,01 °C) 0,611657 kPa (0,00603659 atm)
Ksenon 161,3 K (-111,8 ° C) 81,5 kPa (0,804 atm)
Cynk 692,65 K (419,50 °C) 0,065 kPa (0,00064 atm)

Uwagi:

  • Dla porównania typowe ciśnienie atmosferyczne wynosi 101,325 kPa (1 atm).
  • Przed nową definicją jednostek SI punkt potrójny wody, 273,16 K, był liczbą dokładną.

Zobacz też

Bibliografia

Linki zewnętrzne