Тройная точка является термином в области термодинамики , что относится к температуре и давлению , в котором существует три фаза вещества одновременно в состоянии термодинамического равновесия. Эта точка существует для всех веществ, хотя условия, в которых они достигаются, сильно различаются между каждым из них.
Тройная точка может также включать более одной фазы одного типа для определенного вещества; то есть наблюдаются две разные твердые, жидкие или газовые фазы. Гелий, в частности его изотоп гелий-4, является хорошим примером тройной точки, включающей две отдельные жидкие фазы: нормальную жидкость и сверхтекучую среду.
Характеристики тройной точки
Тройная точка воды используется для определения кельвина, базовой единицы термодинамической температуры в международной системе единиц (СИ). Это значение устанавливается по определению, а не измеряется.
Тройные точки каждого вещества можно наблюдать с помощью фазовых диаграмм, которые представляют собой построенные графики, которые позволяют продемонстрировать предельные условия твердой, жидкой, газообразной фаз (и других, в особых случаях) вещества, пока оно находится. они вызывают изменения температуры, давления и / или растворимости.
Вещество находится в точке плавления, при которой твердое вещество встречается с жидкостью; его также можно найти в точке кипения, где жидкость встречается с газом. Однако именно в тройной точке достигаются три фазы. Эти диаграммы будут разными для каждого вещества, как будет видно позже.
Тройную точку можно эффективно использовать при калибровке термометра, используя ячейки тройной точки.
Это образцы веществ в изолированных условиях (внутри стеклянных «ячеек»), которые находятся в тройной точке при известных условиях температуры и давления, и, таким образом, облегчают изучение точности измерений термометра.
Изучение этой концепции также использовалось при исследовании планеты Марс, в ходе которого была предпринята попытка узнать уровень моря во время миссий, выполненных в 1970-х годах.
Тройная точка воды
Точные условия давления и температуры, при которых вода сосуществует в своих трех фазах в равновесии - жидкая вода, лед и пар - возникают при температуре ровно 273,16 К (0,01 ºC) и парциальном давлении пара 611,656 паскалей (0,00603659 атм).
На этом этапе преобразование вещества в любую из трех фаз возможно с минимальными изменениями его температуры или давления. Даже если общее давление в системе может быть выше, чем требуется для тройной точки, если парциальное давление пара составляет 611,656 Па, система таким же образом достигнет тройной точки.
На предыдущем рисунке можно увидеть представление тройной точки (или тройной точки на английском языке) вещества, диаграмма которого аналогична диаграмме воды, в зависимости от температуры и давления, необходимых для достижения этого значения.
В случае воды эта точка соответствует минимальному давлению, при котором может существовать жидкая вода. При давлениях ниже этой тройной точки (например, в вакууме) и когда используется нагревание под постоянным давлением, твердый лед превращается непосредственно в водяной пар, не проходя через жидкость; Это процесс, называемый сублимацией.
При превышении этого минимального давления (P tp ) лед сначала тает, образуя жидкую воду, и только там он испаряется или закипает с образованием пара.
Для многих веществ значение температуры в ее тройной точке является минимальной температурой, при которой может существовать жидкая фаза, но этого не происходит в случае воды. Для воды этого не происходит, поскольку температура плавления льда снижается в зависимости от давления, как показано зеленой пунктирной линией на предыдущем рисунке.
В фазах высокого давления вода имеет довольно сложную фазовую диаграмму, на которой показаны пятнадцать известных фаз льда (при разных температурах и давлениях) в дополнение к десяти различным тройным точкам, которые визуализированы на следующем рисунке:
Можно отметить, что в условиях высокого давления лед может находиться в равновесии с жидкостью; диаграмма показывает, что температуры плавления увеличиваются с увеличением давления. При постоянных низких температурах и повышающемся давлении пар может превращаться непосредственно в лед, не проходя через жидкую фазу.
На этой диаграмме также представлены различные условия, которые происходят на планетах, на которых исследовалась тройная точка (Земля на уровне моря и в экваториальной зоне Марса).
Из диаграммы видно, что тройная точка меняется в зависимости от местоположения по причинам атмосферного давления и температуры, а не только из-за вмешательства экспериментатора.
Тройная точка циклогексана
Циклогексан представляет собой циклоалкан, имеющий молекулярную формулу C 6 H 12 . Это вещество имеет особенность наличия условий тройной точки, которые можно легко воспроизвести, как в случае с водой, поскольку эта точка находится при температуре 279,47 К и давлении 5,388 кПа.
В этих условиях наблюдается кипение, затвердевание и плавление соединения с минимальными изменениями температуры и давления.
Тройная точка бензола
В случае, аналогичном циклогексану, бензол (органическое соединение с химической формулой C 6 H 6 ) имеет условия тройной точки, которые легко воспроизводятся в лаборатории.
Его значения составляют 278,5 К и 4,83 кПа, поэтому эксперименты с этим компонентом на начальном уровне также распространены.
Ссылки
- Wikipedia. (SF). Wikipedia. Получено с en.wikipedia.org
- Британника, Э. (1998). Британская энциклопедия. Получено с britannica.com
- Мощность, Н. (SF). Атомная энергия. Получено с Nuclear-power.net
- Вагнер В., Саул А. и Пруб А. (1992). Международные уравнения давления вдоль кривой плавления и сублимационной кривой обыкновенной воды. Бохум.
- Пенончелло, С. Г., Якобсен, Р. Т., и Гудвин, А. Р. (1995). Формулировка термодинамических свойств циклогексана.