Тройная точка воды что это
Трехточечные характеристики воды, циклогексана и бензола
тройная точка это термин в области термодинамики, который относится к температуре и давлению, при которых одновременно находятся три фазы вещества в состоянии термодинамического равновесия. Эта точка существует для всех веществ, хотя условия, в которых они достигаются, сильно различаются между.
Тройная точка также может включать более одной фазы одного типа для конкретного вещества; то есть наблюдаются две разные фазы твердого вещества, жидкости или газа. Гелий, в частности его изотоп гелий-4, является хорошим примером тройной точки, включающей две отдельные жидкие фазы: нормальную и сверхтекучую жидкость.
Характеристики тройной точки
Тройная точка воды используется для определения Кельвина, базовой единицы термодинамической температуры в международной системе единиц (СИ). Это значение фиксируется по определению, а не измеряется.
Тройные точки каждого вещества можно наблюдать с помощью фазовых диаграмм, которые представляют собой построенные графики, которые позволяют демонстрировать ограничивающие условия для твердой, жидкой, газообразной фаз (и других, в особых случаях) вещества, в то время как они проявляют изменения температуры, давления и / или растворимости.
Вещество может быть найдено в его точке плавления, в которой твердое вещество встречается с жидкостью; Это может также быть найдено в его точке кипения, где жидкость встречает газ. Однако именно в тройной точке достигаются все три этапа. Эти диаграммы будут отличаться для каждого вещества, как будет видно позже.
Тройная точка может эффективно использоваться при калибровке термометров с использованием трехточечных ячеек.
Это образцы веществ в изолированных условиях (внутри стеклянных «ячеек»), которые находятся в тройной точке с известными условиями температуры и давления и, таким образом, облегчают изучение точности измерений термометром..
Изучение этой концепции также использовалось при исследовании планеты Марс, на которой пытались узнать уровень моря во время миссий, которые проводились в десятилетие 1970-х годов..
Тройная точка воды
В этот момент возможно преобразовать вещество в любую из трех фаз с минимальными изменениями его температуры или давления. Даже если общее давление системы может быть выше требуемого для тройной точки, если парциальное давление пара составляет 611 656 Па, система достигнет тройной точки в равной степени..
На предыдущем рисунке можно наблюдать представление тройной точки (или тройная точка, 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, меньших этой тройной точки (например, в вакууме), и при использовании нагрева с постоянным давлением твердый лед будет превращаться непосредственно в водяной пар, не проходя через жидкость; этот процесс называется сублимацией.
За пределами этого минимального давления (Pф), лед сначала растает, образуя жидкую воду, и только потом он испарится или закипит, образовав пар.
Для многих веществ значение температуры в его тройной точке является минимальной температурой, при которой может существовать жидкая фаза, но это не происходит в случае воды. Для воды этого не происходит, поскольку температура плавления льда уменьшается 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 представлены на следующем рисунке:
Можно отметить, что в условиях высокого давления лед может существовать в равновесии с жидкостью; Диаграмма показывает, что температуры плавления увеличиваются с давлением. При постоянных низких температурах и повышающемся давлении пар может превращаться непосредственно в лед, не проходя через жидкую фазу.
Различные условия, которые возникают на планетах, где изучалась тройная точка (Земля на уровне моря и в экваториальной области Марса), также представлены на этой диаграмме..
Диаграмма ясно показывает, что тройная точка изменяется в зависимости от местоположения по причинам атмосферного давления и температуры, а не только от вмешательства экспериментатора..
Тройная точка циклогексана
Циклогексан представляет собой циклоалкан, который имеет молекулярную формулу C6H12. Это вещество имеет особенность наличия трехточечных условий, 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..
Бензол тройная точка
В случае, аналогичном циклогексану, бензол (органическое соединение с химической формулой C6H6) легко воспроизвела условия тройной точки в лаборатории.
Его значения составляют 278,5 К и 4,83 кПа, поэтому также часто экспериментируют с этим компонентом на начальном уровне..
Состояния воды в природе: условия перехода, необычные факты
Удивительная вода: Freepick
Известные человечеству состояния воды не ограничиваются тремя базовыми вариантами, о которых большинство слышало в школе. Как создать горячий лед или сухую воду? Возможно ли наблюдать воду сразу жидкой, твердой и газообразной? Как на эти и многие другие вопросы отвечает наука?
Три состояния воды в природе
Воду как прозрачную жидкость, у которой отсутствует запах и вкус, знают все. Но только ли такой она бывает? Прежде чем ответить на вопрос о том, каковы возможные агрегатные состояния воды, выясним, что такое агрегатное состояние.
В физике под этим понятием подразумевают состояние вещества, обусловленное определенной температурой и давлением. Науке известно:
При этом одно и то же вещество может менять свое состояние в зависимости от условий окружающей среды.
Хорошо известны три агрегатных состояния воды:
Состояние воды прямо связано с температурой. Эта жидкость обладает уникальным свойством: свое жидкое состояние она сохраняет в широком диапазоне от 0 до 100 °С. В верхней точке начинается закипание с постепенным переходом в газообразную фазу. При снижении температуры ниже 0 °С происходит образование льда.
При этом в природе можно часто увидеть, как вода и лед соседствуют друг с другом, а в этом время над ними витает невидимый глазу водяной пар. Благодаря таким удивительным способностям воды происходит ее постоянный круговорот в природе.
Жидкое состояние воды: Freepick
Если рассматривать все три состояния воды, то жидкое остается одним из наиболее важных. Жидкая вода служит универсальным растворителем для множества других веществ, является основным компонентом организма человека и средой для протекания всех химических процессов.
Более того, именно у жидкой воды ученым удалось обнаружить дополнительные состояния — «обычная» и «аномальная» вода. Последняя образуется при температуре –63 °С и может находиться в одном из двух состояний:
Две эти жидкости заметно различаются по свойствам, а их плотность отличается на 20%, поэтому они не могут смешиваться между собой. Как ученым удалось уловить эти состояния, ведь хорошо известно, что происходит с водой при замерзании: она переходит в твердую фазу — в лед?
Авторам исследования понадобились специальные приборы. С помощью инфракрасного лазера лед нагревали, при этом образовывалась жидкая вода с высокой плотностью, а давление сохраняли повышенным.
За этим процессом вели наблюдение рентгеновским лазером. Было замечено образование пузырьков «аномальной» воды. Появлялись они на крайне маленький промежуток времени: были видны до 3-х микросекунд.
Эти исследования доказали, что ученым еще далеко не все известно о воде, хотя мы и сталкиваемся с ней ежедневно и ежечасно. Ее свойства продолжают изучать и открывать новые грани.
Состояния воды: необычные факты
Твердое состояние воды (лед): Freepick
Ученым оказалось недостаточно трех агрегатных состояний воды, поэтому они изобрели целый ряд необычных вариантов и продолжают работать в этом направлении.
Лед VII (горячий лед)
Для обычного холодного льда используется обозначение «лед Ih». Когда при нормальном давлении снижается температура и вода замерзает, то атомы кислорода в ее молекулах образуют шестигранники.
Если же давление будет возрастать, то можно получить лед VII, атомы которого располагаются в виде куба. Он очень противоречив:
Ученым удалось создать такой лед в лаборатории. Кроме того, он был обнаружен в алмазах, которые нашли в недрах нашей планеты.
Сухая вода
Ее получают путем смешивания обычной воды и двуокиси кремния. Несмотря на то что жидкости в ней 25%, она является сухим веществом. Сахарообразные крупинки внутри содержат воду, а сверху покрыты оксидом кремния.
Сухую воду создали в 1968 для нужд косметологии. Затем о ней забыли, а сейчас рассматривают варианты использования для поглощения углекислого газа, чтобы хранить и транспортировать химикаты.
Сверхзвуковой лед
Этот лед также называют льдом XVIII. Он образуется при очень сильном повышении давления и температурных показателей — до тысяч градусов и миллионов атмосфер. В горячем плотном и черном на виде веществе узнать лед очень трудно.
Получить его экспериментально удалось совсем недавно с применением мощных лазеров, которые создавали ударные волны, мгновенно повышая температуру и давление. При этом происходило разделение атомов водорода и кислорода с параллельным образованием твердых кристаллов.
Сверхкритическая вода
Вода может стать такой из газообразного состояния. Это очень странный пар, который нельзя назвать газом. Образование такой воды происходит при 373 °С и давлении 220 бар. Снова жидкой она уже стать не может. Такая вода способна проходить сквозь твердые вещества, как газы, и быть растворителем подобно жидкости.
Аморфный лед
Этот лед получается при мгновенном охлаждении воды, когда молекулы не кристаллизуются, как следует. Получается своеобразное стекло — очень медленно движущаяся жидкость.
На нашей планете аморфный лед встречается редко, а вот на просторах Вселенной вода часто существует в этом состоянии.
Тройная точка воды
В этой точке вещество одновременно существует как твердое, жидкое и газообразное. Такое специфическое равновесие достигается путем сочетания показаний давления и температуры. Для воды они составляют 0,01 °С и 0,0060366 атмосфер.
Эта точка применяется, когда определяется температура по Кельвину, калибруются термометры и определяются тройные точки для других жидкостей. Из тройной точки воду можно перевести в любое из ее возможных агрегатных состояний.
Горящий лед
Это не чистая вода, а сочетание воды и метана, которое способно гореть, словно бумага. Такой лед образуется в результате естественных процессов в океанских глубинах, в зонах вечной мерзлоты, может засорить нефтепровод или газопровод.
Таковы обычные и нестандартные состояния воды. Природа отменно поработала, чтобы создать такое чудо, но и ученые не остались в стороне. Они до сих пор работают над получением воды в уникальных состояниях.
Узнавайте обо всем первыми
Подпишитесь и узнавайте о свежих новостях Казахстана, фото, видео и других эксклюзивах.
Тройная точка
Тройна́я то́чка — точка на фазовой диаграмме, где сходятся три линии фазовых переходов. Тройная точка — это одна из характеристик химического вещества. Обычно тройная точка определяется значением температуры и давления, при котором вещество может равновесно находиться в трёх (отсюда и название) агрегатных состояниях — твёрдом, жидком и газообразном. В этой точке сходятся линии плавления, кипения и сублимации.
В более общем случае могут рассматриваться и другие фазы вещества, не соответствующие различным агрегатным состояниям. На достаточно богатых фазовых диаграммах может быть несколько тройных точек. Вещество в тройной точке в состоянии термодинамического равновесия может частично находиться во всех трёх фазах. На многомерных фазовых диаграммах (то есть если кроме температуры и давления присутствуют иные интенсивные величины) могут существовать четверные и т. д. точки.
См. также
Внешние ссылки
Полезное
Смотреть что такое «Тройная точка» в других словарях:
ТРОЙНАЯ ТОЧКА — в термодинамике, точка на диаграмме состояния, соответствующая равновесному сосуществованию трёх фаз в ва. Из Гиббса правила фаз следует, что химически индивидуальное в во (однокомпонентная система) в равновесии не может иметь больше трёх фаз.… … Физическая энциклопедия
Тройная точка — воды; p давление; t температура. ТРОЙНАЯ ТОЧКА, состояние равновесного сосуществования трех фаз вещества, обычно твердой, жидкой и газообразной. Температура тройной точки воды (точки сосуществования льда, воды и пара) 0,01°C (273,16 К) при… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
тройная точка — Точка на фазовой диаграмме, соответствующая состоянию, в котором находятся в равновесии три фазы индивидуального вещества. Примечание Тройная точка, соответствующая состоянию, в котором находятся в равновесии кристаллическая (твердая), жидкая и… … Справочник технического переводчика
ТРОЙНАЯ ТОЧКА — ТРОЙНАЯ ТОЧКА, температура и давление, при которых все три состояния вещества (твердое, жидкое, газообразное) могут существовать одновременно. Для воды тройная точка находится при температуре 273,16 К и давлении 610 Ра … Научно-технический энциклопедический словарь
ТРОЙНАЯ ТОЧКА — см. (8) … Большая политехническая энциклопедия
Тройная точка — точка на термодинамической диаграмме состояния, соответствующая равновесию трех фаз рассматриваемой термодинамической системы. Например, тройная точка воды соответствует равновесию системы, состоящей из льда, воды и водяного пара. Температуpa… … Энциклопедический словарь по металлургии
ТРОЙНАЯ ТОЧКА — точка на термодинамической диаграмме состояния, соответствующая равновесию трех фаз рассматриваемой термодинамической системы. Например, тройная точка воды соответствует равновесию системы, состоящей из льда, воды и водяного пара. Темпеpaтура… … Металлургический словарь
ТРОЙНАЯ ТОЧКА — ТРОЙНАЯ ТОЧКА, состояние равновесного сосуществования трех фаз вещества, обычно твердой, жидкой и газообразной. Температура тройной точки воды (точки сосуществования льда, воды и пара) 0,01шC (273,16 К) при давлении 6,1 гПа (4,58 мм ртутного… … Современная энциклопедия
тройная точка — Термодинамическое состояние, при котором три фазы вещества находятся в равновесии (для воды 0°С) … Словарь по географии
Тройная точка воды что это
Тройная точка
Соотношения между различными состояниями наглядно и отчетливо показывает диаграмма для воды, изображенная на рис. 4.11.
Такую диаграмму можно построить для любого тела.
Если в условия «левой области» поместить воду или пар, то они станут льдом. Если в «нижнюю область» внести жидкость или твердое тело, то получится пар. В «правой области» пар будет конденсироваться, а лед плавиться.
Диаграмма существования фаз позволяет сразу же ответить, что произойдет с веществом при нагревании или при сжатии. Нагревание при неизменном давлении изобразится на диаграмме горизонтальной линией. Вдоль этой линии слева направо движется точка, изображающая состояние тела.
Иначе будет обстоять дело для льда, нагреваемого при очень небольшом давлении, скажем, чуть ниже 5 мм рт. ст. Процесс нагревания изобразится линией, идущей ниже тройной точки. Кривые плавления и кипения не пересекаются этой линией. При таком незначительном давлении нагревание приведет к непосредственному переходу льда в пар.
На рис. 4.12 эта же диаграмма показывает, какое интересное явление произойдет при сжатии водяного пара в состоянии, помеченном на рисунке крестиком. Сначала пар превратится в лед, а затем расплавится. Рисунок позволяет тут же сказать, при каком давлении начнется рост кристалла и когда произойдет плавление.
Диаграммы состояния всех веществ похожи одна на другую. Большие, с житейской точки зрения, различия возникают из-за того, что место нахождения тройной точки на диаграмме может быть у разных веществ самым различным.
Если давление в тройной точке меньше атмосферного, то для нас, живущих в «нормальных» условиях, вещество относится к плавящимся. При повышении температуры оно сначала превращается в жидкость, а потом закипает.
Мы уже рассказали читателю, каким образом определяется один градус температуры по шкале Кельвина, или, как требует сейчас говорить система СИ,- один кельвин. Однако речь шла о принципе определения температуры. Не все институты метрологии обладают идеальными газовыми термометрами. Поэтому шкалу температуры строят с помощью фиксированных природой точек равновесия между разными состояниями вещества.
Особую роль при этом играет тройная точка воды. Градус Кельвина определяют сейчас как 273,16-ю часть термодинамической температуры тройной точки воды. Тройная точка кислорода принята равной 54,361 К. Температура затвердевания золота положена равной 1337,58 К. Пользуясь этими реперными точками, можно точно отградуировать любой термометр.
Основы термометрии
Методика реализации некоторых основных реперных точек
Вопрос о методиках реализации реперных точек постоянно обсуждается на международных конференциях и рассматривается в документах ККТ, в частности наиболее полно методики были представлены в обзоре, подготовленном РГ1/ККТ и опубликованном в журнале «Метрология»: B. W. Mangum, P. Bloembergen, M. V. Chattle, B. Fellmuth, P. Marcarino. Metrologia 36 (1999). Руководство по реализации МТШ-90 (Guide to the Realization of the ITS-90), выпущенное в 2018 г. Консультативным комитетом по термометрии, обобщает опыт национальных институтов и дает наиболее современные данные по методам получения фазовых переходов.
В данном разделе приводим краткие рекоммендации по реализации фазовых переходов, которые могут быть полезны поверителям при работе с ампулами реперных точек.
Тройная точка воды (273,16 К)
Документ ККТ, посвященный реализации тройной точки воды, доступен по ссылке:
Тройная точка воды – самая простая в реализации реперная точка. Для ее хранения и воспроизведения может использоваться термостат или сосуд Дьюара, наполненный смесью дробленого льда и воды. Разработаны также специальные термостаты для хранения сосудов тройных точек воды и поддержания их в рабочем состоянии длительное время.
Особенности реализации с наивысшей точностью: Начинать измерения рекомендуется через сутки после приготовления ледяной мантии. Необходимо устранить попадание света от внешних источников на сосуд и термометр (во избежании подвода тепла излучением). Для этого рекомендуется закрыть термометр плотной тканью. Глубина погружения зависит от типа термометра. Для эталонных платиновых термометров диаметром 5-7 мм она составляет не менее 15 см.
Приготовление ледяной мантии может осуществляться несколькими способами. Наиболее распространенный и быстрый способ – с использованием жидкого азота и металлических стержней. Стержень погружается в жидкий азот, затем в канал тройной точки воды, заполненный чистым спиртом. Процедура повторяется, пока на стенках канала не образуется ледяная мантия толщиной не менее 1 см. Другой способ – заполнение канала мелкодробленым сухим льдом. Ледяная мантия может также формироваться путем переохлаждения воды. Сосуд тройной точки погружается в смесь льда и поваренной соли, имеющую температуру около –10 °С. Через 20 мин. сосуд извлекается из смеси и встряхивается. При этом можно наблюдать впечатляющую картину быстрого образования ячеистого льда по всему объему воды, который в последствии формирует нормальную ледяную мантию вокруг канала. Этот способ сейчас реализуется в некоторых специальных термостатах для реализации реперных точек. Перед началом измерений в точке необходимо убедиться, что ледяная мантия может свободно вращаться вокруг канала. Если этого не происходит, то рекомендуется на несколько секунд ввести в канал алюминиевый или стеклянный стержень, имеющий комнатную температуру, затем повторно проверить вращение мантии. Канал, как правило заполняется чистой водой. Если образуется большой зазор между стенками канала и термометром, то рекомендуется использовать заполняющие металлические втулки длиной, равной длине чувствительного элемента термометра.
Реализация реперных точек металлов
Наиболее подробно принципы реализации температур плавления и затвердевания металлов изложены в разделе «Основные принципы реализации реперных точек»
В данном разделе кратко рассмотрим методики реализации реперных точек для контактной термометрии, которые будут полезны поверителям термометров и термопар.
Два условия получения качественных площадок плавления и затвердевания металлов: 1. Использовать металл высокой чистоты и не допускать загрязнения металла во время заплавки в тигель; 2. Обеспечить равномерность температурного поля в печи на длине тигля.
Для градуировки ПТС с максимальной точностью необходимо использовать металлы чистотой не менее 99,9999%. В этом случае температура, реализуемая точкой (до 420 °С) будет отличаться от температуры идеально чистого металла не более, чем на 0,1-0,2 мК. Отклонение температуры реперной точки от значения МТШ-90 зависит от вида примеси и ее взаимодействия с конкретным металлом. Оценка показывает, что если используется металл чистотой 99,999%, то для точек Al, Ag, Au, Cu отклонение составит несколько мК. (из документа «Дополнительная информация к шкале МТШ-90»). Подробно влияние примесей на температуру реперных точек исследуется в работе: B. Fellmuth and K. D. Hill, Metrologia 43 (2006).(сайт www.bipm.org )
Документ ККТ, посвященный реализации реперных точек металлов, доступен по ссылке:
Тройная точка ртути
Наиболее надежными и удобными в обращении считаются герметичные ячейки из нержавеющей стали. Для реализации температуры тройной точки рекомендуется использовать жидкостный термостат с хорошим перемешиванием и высокой воспроизводимостью заданной температуры. Наиболее простой способ получения температурной площадки – метод плавления затвердевшей ртути. Затвердевание достигается либо охлаждением ячейки в термостате до температуры примерно –42°С, либо погружением в канал специального охлаждающего стержня (immersion cooler). Выход на плавление осуществляется плавным повышением температуры в термостате и регулированием на уровне значения, близкого к реперной точке. Для улучшения качества площадки и формирования слоя жидкого металла вокруг канала рекомендуется погрузить в канал перед началом измерений теплый стержень. Хороший жидкостный термостат, заполненный спиртом, позволит без труда получить длительность фазового перехода 10 ч и более.
Точка плавления галлия (29,7646 °С)
Точка затвердевания олова (231,928 °С)
Точки затвердевания индия (156,5985 °С), цинка (419,527 °С), алюминия (660,323 °С), серебра (961,78 °С)
Важным моментом, который необходимо учесть при градуировке ПТС и ВТС в точках Al и Ag является закалка вакансий в кристаллической решетке платины при быстром охлаждении термометров от температур, превышающих 500 °С. Закалка может привести к росту сопротивления термометра в тройной точке воды, эквивалентного 10-20 мК (при охлаждении от 960 °С) и 2-5 мК (при охлаждении от 660 °С). Для устранения эффекта закалки термометры либо медленно охлаждаются в печи за 3,5 ч до 450 °С и выводятся наружу, либо после быстрого вывода термометра закалка снимается путем дополнительного отжига при температуре 660 °С не менее 3 ч с последующим медленным охлаждением в печи (за 3,5 ч) до 450 °С и выводом из печи при этой температуре. Медленное охлаждение при температурах ниже 450 °С не рекомендуется, т.к. это способствует образованию на поверхности платины слоя оксида PtO2, что приводит к росту измеренного сопротивления термометра в тройной точке воды на 1-2 мК. Подробнее о стабильности платиновых термометров сопротивления смотрите в разделе «Платиновый термометр сопротивления».
Более подробная информация о реализации реперных точек МТШ-90 изложена в разделе «Особенности реализации реперных точек МТШ-90»