В термодинамике тройная точка вещества — это температура и давление , при которых три фазы ( газ , жидкость и твердое вещество ) этого вещества сосуществуют в термодинамическом равновесии . [1] Это температура и давление, при которых сходятся кривые сублимации , плавления и испарения . Например, тройная точка ртути возникает при температуре -38,8 °C (-37,8 °F) и давлении 0,165 мПа .
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 необычен тем, что у него нет кривой сублимации/осаждения и, следовательно, нет тройных точек, где его твердая фаза встречается с газовой фазой. Вместо этого у него есть точка пар-жидкость-сверхтекучесть, точка твердое-жидкость-сверхтекучесть, точка твердое-твердое-жидкость и точка твердое-твердое-сверхтекучесть. Ничто из этого не следует путать с лямбда-точкой , которая не является тройной точкой.
Тройная точка воды использовалась для определения кельвина , базовой единицы термодинамической температуры в Международной системе единиц (СИ). [2] Значение тройной точки воды было зафиксировано по определению, а не путем измерения, но это изменилось с переопределением базовых единиц СИ в 2019 году . Тройные точки некоторых веществ используются для определения точек международной температурной шкалы ITS-90 , от тройной точки водорода (13,8033 К) до тройной точки воды (273,16 К, 0,01 ° C или 32,018 ° F). .
Термин «тройная точка» был придуман в 1873 году Джеймсом Томсоном , братом лорда Кельвина . [3]
После переопределения базовых единиц СИ в 2019 году значение тройной точки воды больше не используется в качестве определяющей точки. Однако его эмпирическая ценность остается важной: уникальное сочетание давления и температуры, при котором жидкая вода , твердый лед и водяной пар сосуществуют в устойчивом равновесии, составляет приблизительно273,16 ± 0,0001 К [4] и давление пара 611,657 паскаля (6,11657 мбар; 0,00603659 атм). [5] [6]
Жидкая вода может существовать только при давлении, равном или превышающем тройную точку. Ниже этого, в вакууме космического пространства , твердый лед сублимируется , превращаясь непосредственно в водяной пар при нагревании при постоянном давлении. И наоборот, выше тройной точки твердый лед сначала плавится в жидкую воду при нагревании при постоянном давлении, затем испаряется или кипит с образованием пара при более высокой температуре.
Для большинства веществ тройная точка газ-жидкость-твердое тело является минимальной температурой, при которой может существовать жидкость. Для воды это не так. Температура плавления обычного льда снижается с ростом давления, как показано пунктирной зеленой линией на фазовой диаграмме . Чуть ниже тройной точки сжатие при постоянной температуре превращает водяной пар сначала в твердое состояние, а затем в жидкость.
Исторически сложилось так, что во время миссии «Маринера-9» на Марс трехточечное давление воды использовалось для определения «уровня моря». Теперь для определения высоты Марса предпочитают использовать лазерную альтиметрию и гравитационные измерения. [7]
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 (обычного льда), льда III и жидкой воды, находящихся в равновесии. Существуют также тройные точки сосуществования трех твердых фаз, например льда II , льда V и льда VI при 218 К (-55 ° C) и 620 МПа (6120 атм).
Для тех форм льда, находящихся под высоким давлением, которые могут существовать в равновесии с жидкостью, диаграмма показывает, что температура плавления увеличивается с увеличением давления. При температуре выше 273 К (0 °C) увеличение давления водяного пара приводит сначала к образованию жидкой воды, а затем к образованию 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.
Трехточечные ячейки используются при калибровке термометров . Для выполнения сложных работ трехточечные ячейки обычно заполняются химическим веществом высокой 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 примесью, называемой «шесть девяток», поскольку ее чистота составляет 99,9999%. Используется определенный изотопный состав (для воды VSMOW ), поскольку изменения изотопного состава вызывают небольшие изменения в тройной точке. Ячейки с тройной точкой настолько эффективны для достижения высокоточных и воспроизводимых температур, что международный стандарт калибровки термометров под названием ITS-90 опирается на ячейки с тройной точкой из водорода , неона , кислорода , аргона , ртути и воды для определения шести ее температур. определенные температурные точки.
В этой таблице перечислены тройные точки газ-жидкость-твердое тело нескольких веществ. Если не указано иное, данные взяты из Национального бюро стандартов США (ныне NIST , Национальный институт стандартов и технологий). [9]
Примечания:
СМИ, связанные с Тройной точкой, на Викискладе?