Диаграмма состояния тройная точка кратко

Обновлено: 05.07.2024

Одно и то же вещество может находиться в одном из трех состояний: жидком, твердом, газообразном. Это зависит от соотношения средней кинетической и потенциальной энергий молекул вещества. Если ε_n > kТ , то вещество находится в твердом состоянии. Если ε_n = kТ , то вещество находится в жидком состоянии. Здесь ε_n – наименьшая потенциальная энергия взаимодействия молекул; kТ – удвоенная средняя энергия, приходящаяся на одну степень свободы хаотического теплового движения молекул. Это состояние, в свою очередь, определяется внешними условиями – температурой и давлением. Следовательно, фазовые превращения также определяются изменением температуры и давления.

Для наглядного изображения фазовых превращений используется диаграмма состояния, на которой в координатах рТ задается зависимость между температурой фазового перехода и давлением в виде кривых фазового равновесия (рис.9.7). Здесь КП – кривая плавления, КИ – кривая испарения, КС – кривая сублимации.

Каждая кривая фазового равновесия разделяет две фазы. Каждая точка на них соответствует условиям равновесия двух сосуществующих фаз. Кривая КП разделяет твердое тело (ТТ) и жидкость (Ж); кривая КИ разделяет жидкость и газ (Г). Кривая КС разделяет твердую фазу и газообразную. Точка Т_тр , в которой пересекаются все кривые и которая определяет условия одновременного равновесного существования трех фаз вещества (температура Т_тр и давление р_тр), называется тройной точкой. Каждое вещество имеет только одну тройную точку. На диаграмме состояний видно, что кривая испарения заканчивается в критической точке К. Диаграмма состояния дает возможность наблюдать фазовые превращения при изобарных и изотермических процессах.

Срочно?
Закажи у профессионала, через форму заявки
8 (800) 100-77-13 с 7.00 до 22.00

Очевидно, что многие из нас слышали про тройную точку воды, однако далеко не все знают и понимают, что это такое. Для начала, для лучшего и более объемного понимания этого термина, приведем несколько определений из различных источников.

Большой Энциклопедический словарь

ТРОЙНАЯ точка — состояние равновесного сосуществования. Тройная точка воды трех фаз вещества, обычно твердой, жидкой и газообразной. Температура тройной точки воды (точки сосуществования льда, воды и пара, рис.) равна 0,01 .С (273,16 К) при давлении 6,1 гПа (4,58 мм рт. ст.).

Большой Энциклопедический словарь. 2000

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. Температура тройной точки воды 0°С или 273,16 К.

Энциклопедический словарь по металлургии. — М.: Интермет Инжиниринг. Главный редактор Н.П. Лякишев. 2000

Физическая энциклопедия

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. Эти три фазы (напр., твёрдая, жидкая и газообразная или, как у серы, жидкая и две аллотропные разновидности кристаллической) могут совместно сосуществовать только при значениях темп-ры Тт и давления рт, определяющих на диаграмме р — Т координаты Т. т. (рис.). Для СО2, напр., Tт=216,6К, рт=5,16•105 Н/м2, для Т. т. воды — осн. реперной точки абс. термодинамич. температурной шкалы — Тт=273,16К (точно), рт=4,58 мм рт. ст. (609 Н/м2).

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988

Научно-технический энциклопедический словарь

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

Подводя итог, можем сказать, что в природе существует некоторое соотношение температуры, и давления при котором вещество может существовать одновременно в трех состояниях.

Температура и давление, соответствующие тройной точке воды

Для воды тройная точка соответствует таким показаниям температуры и давления:

Температура — 273,16 К;
Давление — 610 Ра .

ТТВ – видео

Предлагаем посмотреть вам видео, которое прекрасно визуализирует поведение воды в тройной точке.

Выводы

Как мы видим, вода находится в непрерывной циклической трансформации своих состояний … весьма интересное зрелище – вечное движение.

Возьмем вещество в виде жидкости и находящегося с ней в равновесии насыщенного пара и, не изменяя объема, станем отнимать от него тепло. Этот процесс будет сопровождаться понижением температуры вещества и соответствующим уменьшением давления. Поэтому точка, изображающая состояние вещества на диаграмме (р, Т), перемещается вниз по кривой испарения (рис. 127.1). Это продолжается до тех пор, пока не будет достигнута температура кристаллизации вещества, отвечающая равновесному значению давления. Обозначим эту температуру . Все время, пока идет процесс кристаллизации, температура и давление остаются неизменными. Отводимое при этом тепло представляет собой тепло, выделяющееся при кристаллизации.

Температура и соответствующее ей равновесное давление — единственные значения температуры и давления, при которых могут находиться в равновесии три фазы вещества: твердая, жидкая и газообразная. Соответствующая точка на диаграмме (р, Т) называется тройной точкой. Таким образом, тройная точка определяет условия, при которых могут находиться в равновесии одновременно три фазы вещества.

По окончании процесса кристаллизации в равновесии будут находиться твердая и газообразная фазы. Если продолжать отнимать от вещества тепло, то температура снова начнет понижаться. Соответственно уменьшается давление паров, находящихся в равновесии с кристаллической фазой. Точка, изображающая состояние вещества, перемещается вниз по кривой сублимации.

Температура тройной точки есть температура, при которой плавится вещество, находясь под давлением, равным При других давлениях температура плавления будет иной. Связь между давлением и температурой плавления изобразится кривой плавления, начинающейся в тройной точке. Таким образом, тройная точка оказывается лежащей на пересечении трех кривых, определяющих условия равновесия двух фаз: твердой и жидкой, жидкой и газообразной и, наконец, твердой и газообразной.

В зависимости от соотношения между удельными объемами твердой и жидкой фаз кривая плавления идет либо так, как на рис. 127.1 (), либо так, как на рис. 127.2 ().

Всякая точка, лежащая на одной из разграничивающих области кривых, изображает состояние равновесия двух соответствующих фаз вещества. Тройная точка изображает состояние равновесия всех трех фаз. Таким образом, каждая точка на диаграмме изображает определенное равновесное состояние вещества. Поэтому ее называют диаграммой состояния.

Для вещества с несколькими кристаллическими модификациями диаграмма состояния имеет более сложный характер. На рис. 127.3 изображена диаграмма для случая, когда число различных кристаллических модификаций равно двум. В этом случае имеются две тройные точки. В точке в равновесии находятся жидкость, газ и первая кристаллическая модификация, в точке находятся в равновесии жидкость и обе кристаллические модификации.

Диаграмма состояния для каждого конкретного вещества строится на основе экспериментальных данных. Зная диаграмму состояния, можно предсказать, в каком состоянии будет находиться вещество при различных условиях (при различных значениях и Т), а также какие превращения будет претерпевать вещество при различных процессах.

Поясним это следующими примерами. Если взять вещество в состоянии, соответствующем точке 1 на рис. 127.1, и подвергнуть его изобарическому нагреванию, то вещество будет проходить изображенную пунктирной прямой 1—2 последовательность состояний: кристаллы — жидкость — газ. Если то же вещество взять в состоянии, изображенном точкой 3, и также подвергнуть изобарическому нагреванию, то последовательность состояний (пунктирная прямая 3—4) будет иной: кристаллы превращаются непосредственно в газ, минуя жидкую фазу.

Из диаграммы состояния следует, что жидкая фаза может существовать в равновесном состоянии только при давлениях не меньших, чем давление тройной точки (то же самое относится и к твердой фазе II на рис. 127.3). При давлениях, меньших наблюдаются только переохлажденные жидкости.

У большинства обычных веществ тройная точка лежит значительно ниже атмосферного давления, вследствие чего переход этих веществ из твердого состояния в газообразное осуществляется через промежуточную жидкую фазу. Так, например, тройной точке воды соответствует давление 4,58 мм рт. ст. и температура 0,0075°С. Для углекислоты давление тройной точки равно 5,11 атм (температура тройной точки —56,6°С). Поэтому при атмосферном давлении углекислота может существовать только в твердом и газообразном состояниях.

Твердая углекислота (сухой лед) превращается непосредственно в газ. Температура сублимации углекислоты при атмосферном давлении равна —78°С.

Если удельный объем кристаллов превосходит удельный объем жидкой фазы, то поведение вещества при некоторых процессах может оказаться весьма своеобразным. Возьмем, например, подобное вещество в состоянии, изображенном точкой 1 на рис. 127.2, и подвергнем его изотермическому сжатию. При таком сжатии давление растет, и процесс изобразится на диаграмме вертикальной прямой (см. пунктирную прямую 1—2). В ходе процесса вещество проходит такую последовательность состояний: газ — кристаллы — жидкое состояние. Подобная последовательность, очевидно, наблюдается только при температурах меньших, чем температура тройной точки.

В заключение отметим еще одну особенность диаграммы состояния. Кривая испарения заканчивается в критической точке К. Поэтому возможен переход из области жидких состояний в область газообразных состояний, совершаемый в обход критической точки, без пересечения кривой испарения (см. изображенный пунктиром переход 3—4 на рис. 127.2). На рис. 123.4 показано, как выглядит такой переход на диаграмме (). В этом случае переход из жидкого состояния в газообразное (и обратно) совершается непрерывно, через последовательность однофазных состояний. Отметим, что точке с координатой Т, взятой на кривой испарения, отвечает на рис. 123.4 весь горизонтальный участок соответствующей изотермы.

Непрерывный переход между жидким и газообразным состояниями возможен потому, что различие между ними носит скорее количественный, чем качественный характер; в частности, у обоих этих состояний отсутствует анизотропия. Непрерывный переход из кристаллического состояния в жидкое или газообразное невозможен, ибо характерной чертой кристаллического состояния, как мы знаем, является анизотропия. Переход же от состояния, обладающего анизотропией, к состоянию, ею не обладающему, может совершаться только скачком — анизотропия не может иметься только частично, она либо есть, либо ее нет, третья возможность исключена. По этой причине кривая сублимации и кривая плавления не могут обрываться подобно тому, как обрывается кривая испарения в критической точке. Кривая сублимации идет в точку кривая плавления уходит в бесконечность.

Точно так же невозможен непрерывный переход из одной кристаллической модификации в другую. Различные кристаллические модификации вещества отличаются присущими им элементами симметрии. Поскольку какой-либо элемент симметрии может только либо быть в наличии, либо отсутствовать, переход из одной твердой фазы в другую возможен только скачком. По этой причине кривая равновесия двух твердых фаз, подобно кривой плавления, уходит в бесконечность.

Возьмем вещество в виде жидкости и находящегося с ней в равновесии насыщенного пара и, не изменяя объема, станем отнимать от него тепло. Этот процесс будет сопровождаться понижением температуры вещества и соответствующим уменьшением давления. Поэтому точка, изображающая состояние вещества на диаграмме (р,Т), перемещается вниз по кривой испарения (рис.1.26). Это продолжается до тех пор, пока не будет достигнута температура кристаллизации вещества, отвечающая равновесному значению давления. Обозначим эту температуру Т_тр. Все время, пока идет процесс кристаллизации, температура и давление остаются неизменными. Отводимое при этом тепло представляет собой тепло, выделяющееся при кристаллизации.

Температура Т_тр и соответствующее ей равновесное давление р_тр - единственные значения температуры и давления, при которых могут находиться в равновесии три фазы вещества: твердая, жидкая и газообразная. Соответствующая точка на диаграмме (р,Т) называется тройной точкой. Таким образом, тройная точка определяет условия, при которых могут находиться в равновесии одновременно три фазы вещества.

Температура тройной точки есть температура, при которой плавится вещество, находясь под давлением, равным р_тр. При других давлениях температура плавления будет иной. Связь между давлением и температурой плавления изобразится кривой плавления, начинающейся в тройной точке. Таким образом, тройная точка оказывается лежащей на пересечении трех кривых, определяющих условия равновесия двух фаз: твердой и жидкой, жидкой и газообразной и, наконец, твердой и газообразной. В зависимости от соотношения между удельными объемами твердой и жидкой фаз кривая плавления идет либо так, как на рис. 1.26 ( > 0), либо так, как на рис. 1.27 (

Кривые плавления, испарения и сублимации разбивают координатную плоскость на три области. Слева от кривых сублимации и плавления лежит область твердой фазы, между кривыми плавления и испарения заключена область жидких состояний, и, наконец, справа от кривых испарения и сублимации простирается область газообразных состояний вещества. Любая точка в одной из этих областей изображает соответствующее однофазное состояние вещества (все время имеются в виду только равновесные состояния, т. е. такие состояния, в которых вещество при неизменных внешних условиях пребывает сколь угодно долго). Всякая точка, лежащая на одной из разграничивающих области кривых, изображает состояние равновесия двух соответствующих фаз вещества. Тройная точка изображает состояние равновесия всех трех фаз. Таким образом, каждая точка на диаграмме изображает определенное равновесное состояние вещества. Поэтому ее называют диаграммой состояния.

Для вещества с несколькими кристаллическими модификациями диаграмма состояния имеет более сложный характер. На рис.1.28 изображена диаграмма для случая, когда число различных кристаллических модификаций равно двум. В этом случае имеются две тройные точки. В точке Тр. в равновесии находятся жидкость, газ и первая кристаллическая модификация, в точке Тр' находятся в равновесии жидкость и обе кристаллические модификации.

Диаграмма состояния для каждого вещества строится на основе экспериментальных данных. Зная диаграмму состояния, можно предсказать, в каком состоянии будет находиться вещество при различных условиях (при различных значениях р и Т), а также какие превращения будет претерпевать вещество при различных процессах.

Поясним это следующими примерами. Если взять вещество в состоянии, соответствующем точке 1 на рис. 1.26, и подвергнуть его изобарическому нагреванию, то вещество будет проходить изображенную пунктирной прямой 1—2 последовательность состояний: кристаллы – жидкость - газ. Если то же вещество взять в состоянии, изображенном точкой 3, и также подвергнуть изобарическому нагреванию, то последовательность состояний (пунктирная прямая 3-4) будет иной: кристаллы превращаются непосредственно в газ, минуя жидкую фазу.

Из диаграммы состояния следует, что жидкая фаза может существовать в равновесном состоянии только при давлениях, не меньших чем давление тройной точки (то же самое относится и к твердой фазе II на рис. 1.28). При давлениях, меньших р_тр, наблюдаются только переохлажденные жидкости.

Если удельный объем кристаллов превосходит удельный объем жидкой фазы, то поведение вещества при некоторых процессах может оказаться весьма своеобразным. Возьмем, например, подобное вещество в состоянии, изображенном точкой 1 на рис. 1.27, и подвергнем его изотермическому сжатию. При таком сжатии давление растет, и процесс изобразится на диаграмме вертикальной прямой (см. пунктирную прямую 1—2). В ходе процесса вещество проходит такую последовательность состояний: газ – кристаллы - жидкое состояние. Подобная последовательность, очевидно, наблюдается только при температурах меньших, чем температура тройной точки.

В заключение отметим еще одну особенность диаграммы состояния. Кривая испарения заканчивается в критической точке К. Поэтому возможен переход из области жидких состояний в область газообразных состояний, совершаемый в обход критической точки, без пересечения кривой испарения (см. изображенный пунктиром переход 3—4 на рис. 1.27). На рис. 1.13 показано, как выглядит такой переход на диаграмме (р,V). В этом случае переход из жидкого состояния в газообразное (и обратно) совершается непрерывно, через последовательность однофазных состояний. Отметим, что точке с координатой Т, взятой на кривой испарения, отвечает на рис. 1.13 весь горизонтальный участок соответствующей изотермы.

Непрерывный переход между жидким и газообразным состояниями возможен потому, что различие между ними носит скорее количественный, чем качественный характер. В частности, для веществ в любом из этих состояний отсутствует анизотропия. Непрерывный переход из кристаллического состояния в жидкое или газообразное невозможен, ибо характерной чертой кристаллического состояния, как мы знаем, является анизотропия. Переход же от состояния, обладающего анизотропией, к состоянию, ею не обладающему, может совершаться только скачком — анизотропия не может иметься только частично, она либо есть, либо ее нет, третья возможность исключена. По этой причине кривая сублимации и кривая плавления не могут обрываться подобно тому, как обрывается кривая испарения в критической точке. Кривая сублимации идет в точку р = 0 и Т = 0, кривая плавления уходит в бесконечность.

Читайте также: