Punkt potrójny - Polski Serwis Naukowy

Typowy wykres stanów równowagi

Diagram fazowy dla wody: punkt potrójny zaznaczono kolorem żółtym. Pozostałe oznaczenia: kolor ciemno niebieski - woda, jasno niebieski - para wodna, biały - lód, punkt krytyczny - czerwony. Linia zielona odpowiada wodzie przechłodzonej.

Punkt potrójny – stan, w jakim dana substancja może istnieć w trzech stanach skupienia równocześnie w równowadze termodynamicznej. Punkt ten określony jest przez temperaturę i ciśnienie punktu potrójnego. Na diagramie fazowym, ukazującym zależności ciśnienia od temperatury stanów równowagi faz, jest to punkt przecięcia krzywych równowagi fazowej substancji odpowiadający stanowi równowagi trwałej trzech stanów skupienia (ciało stałe, ciecz, gaz).

Punkt krytyczny to warunki krytyczne definiujące stan układu fizycznego oddzielające stany o odmiennych właściwościach (ciecz - para nasycona), w którym nie można rozróżnić obu stanów (cieczy i pary nasyconej). Na przykład:

Skala termometryczna – skala temperatury, określona punktami podstawowymi skali (np.: w skali Celsjusza – punkty zamarzania i wrzenia wody destylowanej pod ciśnieniem 1 atm) i podzielona na określoną liczbę stopni.

Punkt potrójny jest wielkością charakterystyczną dla danej substancji, podawany jest w opisach substancji. Punkty potrójne niektórych substancji są używane jako wzorce skali temperatur. Niektóre substancje nie mają punktu potrójnego, ponieważ nie występują we wszystkich trzech stanach skupienia. Przyczyną tego może być rozkład tych substancji w temperaturze mniejszej od temperatury przejścia fazowego, niezależnie od ciśnienia.

Temperatura – jedna z podstawowych ) w termodynamice, będąca miarą stopnia nagrzania ciał. Temperaturę można ściśle zdefiniować tylko dla stanów równowagi termodynamicznej, bowiem z termodynamicznego punktu widzenia jest ona wielkością reprezentującą wspólną własność dwóch układów pozostających w równowadze ze sobą. Temperatura jest związana ze średnią energią kinetyczną ruchu i drgań wszystkich cząsteczek tworzących dany układ i jest miarą tej energii.

Stan skupienia materii – podstawowa forma, w jakiej występuje substancja, określająca jej podstawowe własności fizyczne. Własności substancji wynikają z układu oraz zachowania cząsteczek tworzących daną substancję. Bardziej precyzyjnym określeniem form występowania substancji jest faza materii.

Punkt potrójny wody

Woda w stanie ciekłym, lód i para wodna są w równowadze (punkt potrójny) w temperaturze 0,01°C (273,16 K) i ciśnieniu 611,73 Pa. Temperatura punktu potrójnego wody jest punktem odniesienia w definiowaniu termodynamicznych skal temperatur: Kelvina, Celsjusza i Rankine'a.

Wykres fazowy (diagram fazowy) – dla różnych faz pozostających w stanie równowagi – zależność składu danej fazy od składu innej fazy; wykres taki zawiera informację na temat obszarów współistnienia, gdzie istnieją jednocześnie różne fazy.

Ciśnienie to wielkość skalarna określona jako wartość siły działającej prostopadle do powierzchni podzielona przez powierzchnię na jaką ona działa, co przedstawia zależność:

Temperatura punktu potrójnego wody wyznaczana przy swobodnym dostępie powietrza atmosferycznego wynosi 0 °C. Obniżenie temperatury jest spowodowane ciśnieniem atmosferycznym (o ok. 0,0075 °C) i rozpuszczaniem się gazów atmosferycznych w wodzie (dalsze 0,0025 °C).

Diagram fazowy wody ma nietypowy przebieg. Zgodnie z równaniem Clausiusa ciepło przemiany fazowej można wyrazić wzorem

Ciecz – stan skupienia materii – pośredni między ciałem stałym a gazem, w którym ciało fizyczne trudno zmienia objętość, a łatwo zmienia kształt. Wskutek tego ciecz przyjmuje kształt naczynia, w którym się znajduje, ale w przeciwieństwie do gazu nie rozszerza się, aby wypełnić je całe. Powierzchnia styku cieczy z gazem lub próżnią nazywa się powierzchnią swobodną cieczy.

Punkt krytyczny wody (temperatura krytyczna wody) to temperatura, powyżej której faza lotna wody staje się gazem. W stanie krytycznym ciepło parowania oraz napięcie powierzchniowe wody są równe zeru. Powyżej temperatury krytycznej niemożliwe jest skroplenie wody, bez względu na ciśnienie.

$L=\frac{\operatorname d p}{\operatorname d T}T\Delta V$

gdzie: T – temperatura, ΔV – zmiana objętości podczas przemiany fazowej. dp/dT – pochodna ciśnienia po temperaturze, określa zależność zmiany ciśnienia na skutek zmiany temperatury dla danego przejścia fazowego. Wielkość ta odpowiada nachyleniu krzywej rozdziału faz, dokładniej jest równa tangensowi kąta nachylenia prostej stycznej do krzywej w danym punkcie. Dla krzywej rozdziału faz ciecz-ciało stałe wielkość ta ma zwykle wartość dodatnią (krzywa jest rosnąca). Jeżeli temperatura rośnie, substancja topnieje i pobiera ciepło (L > 0). Przy dodatniej wartości dp/dT oznacza to, że również ΔV musi być dodatnie, czyli wzrasta objętość cieczy w stosunku do fazy stałej. W przypadku wody jest odwrotnie. Krzywa p(t), czyli dp/dT < 0, zatem objętość podczas topnienia maleje.

Substancje wielofazowe

Siarka w stanie stałym występuje w kilku odmianach alotropowych, dlatego ma kilka punktów potrójnych.

Przypisy

24. Wykres charakterystyczny. W: Szczepan Szczeniowski: Fizyka doświadczalna. Wyd. I. Cz. II: Ciepło i fizyka molekularna. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Naukowe, 1953, s. 90.

Zobacz też

Punkt krytyczny (fizyka)

Reguła faz Gibbsa