Trojna tačka
Trojnu tačku neke supstance određuju temperatura i pritisak na kojoj se ona nalazi u termodinamičkoj ravnoteži sva tri agregatna stanja (gas, tečnost, i čvrsto stanje).[1] Na primer, trojna tačka žive je na -38.8344 °C, i pri pritisku od 0.2 mPa. Trojna tačka vode je pri pritisku od 611,657 ± 0,010 Pa i na 0,01 °C. Jedinica Međunarodnog sistema jedinica kelvin se definiše preko trojne tačke vode. Trojna tačka vode se realizuje u specijalnim staklenim sudovima spoljašnjeg prečnika od 4 do 7 cm koji imaju aksijalno postavljenu šupljinu otvorenu odozgo za smeštaj termometra.
Pored trojne tačke za čvrstu, tečnu i gasovitu fazu, trostruka tačka može uključivati više od jedne čvrste faze, za supstance sa više polimorfa. Helijum-4 je poseban slučaj koji predstavlja trostruku tačku koja uključuje dve različite tečne faze (lambda tačka).[1]
Trojna tačka vode je korišćena za definisanje kelvina, osnovne jedinice termodinamičke temperature u Međunarodnom sistemu jedinica (SI).[2] Vrednost trojne tačke vode je bila fiksna po definiciji, a ne merena, ali to se promenilo sa redefinisanjem osnovnih jedinica SI 2019. Trojne tačke nekoliko supstanci se koriste za definisanje tačaka na međunarodnoj temperaturnoj skali ITS-90, u rasponu od trojne tačke vodonika (13,8033 K) do trojne tačke vode (273,16 K, 0,01 °C ili 32,018 °F) .
Termin „trostruka tačka“ skovao je 1873. Džejms Tomson, brat Lorda Kelvina.[3]
Trojna tačka vode uredi
Trojna tačka gas–tečnost–čvrsto uredi
Jedinstvena kombinacija pritiska i temperature na kojoj tečna voda, čvrsti led i vodena para mogu koegzistirati u stabilnoj ravnoteži javlja se na tačno 2.731.600 K (2.731.300 °C; 4.916.400 °F) i parcijalnom pritisku pare od 611.657 Pa (6.116,57 mbar; 6,03659 atm).[4][5] U tom trenutku, moguće je promeniti svu supstancu u led, vodu ili paru tako što će napraviti proizvoljno male promene pritiska i temperature. Čak i ako je ukupan pritisak sistema znatno iznad trojne tačke vode, pod uslovom da je parcijalni pritisak vodene pare 611,657 paskala, onda se sistem i dalje može dovesti do trostruke tačke vode. Strogo govoreći, površine koje razdvajaju različite faze takođe treba da budu savršeno ravne, da negiraju efekte površinskog napona.
Trojna tačka gas-tečnost-čvrsto stanje vode odgovara minimalnom pritisku pri kojem može postojati voda u tečnom stanju. Pri pritiscima ispod trostruke tačke (kao u svemiru), čvrsti led kada se zagreje na konstantnom pritisku pretvara se direktno u vodenu paru u procesu poznatom kao sublimacija. Iznad trostruke tačke, čvrsti led kada se zagreva na konstantnom pritisku prvo se topi da bi se formirala tečna voda, a zatim isparava ili ključa da bi se formirala para na višoj temperaturi.
Za većinu supstanci trostruka tačka gas–tečnost–čvrsta materija je takođe minimalna temperatura na kojoj tečnost može da postoji. Za vodu, međutim, to nije tačno jer se tačka topljenja običnog leda smanjuje kao funkcija pritiska, kao što je prikazano isprekidanom zelenom linijom na faznom dijagramu. Na temperaturama malo ispod trostruke tačke, kompresija na konstantnoj temperaturi pretvara vodenu paru prvo u čvrstu materiju, a zatim u tečnost (vodeni led ima manju gustinu od tečne vode, tako da povećanje pritiska dovodi do utečnjavanja).
Pritisak trojne tačke vode korišćen je tokom misije Mariner 9 na Mars kao referentna tačka za definisanje „nivoa mora“. Novije misije koriste lasersku altimetriju i merenja gravitacije umesto pritiska za definisanje nadmorske visine na Marsu.[6]
Faze visokog pritiska uredi
Pri visokim pritiscima voda ima složen fazni dijagram sa 15 poznatih faza leda i nekoliko trojnih tačaka, uključujući 10 čije su koordinate prikazane na dijagramu. Na primer, trostruka tačka na 251 K (−22 °C) i 210 MPa (2070 atm) odgovara uslovima koegzistencije leda Ih (obični led), leda III i tečne vode, sve u ravnoteži. Takođe postoje trojne tačke za koegzistenciju tri čvrste faze, na primer led II, led V i led VI na 218 K (−55 °C) i 620 MPa (6120 atm).
Za one oblike leda pod visokim pritiskom koji mogu postojati u ravnoteži sa tečnošću, dijagram pokazuje da se tačke topljenja povećavaju sa pritiskom. Na temperaturama iznad 273 K (0 °C), povećanje pritiska na vodenoj pari rezultira prvo tečnom vodom, a zatim vidom oblikom pod visokim pritiskom. U opsegu 251–273 K, prvo se formira led I, zatim tečna voda, a zatim led III ili led V, a zatim drugi još gušći visoko-pritisni oblici.
| Faze u stabilnoj ravnoteži | Pritisak | Temperatura |
|---|---|---|
| tečna voda, led Ih, i vodena para | 611,657 Pa[7] | 273,16 K (0,01 °C) |
| tečna voda, led Ih, i led III | 209,9 MPa | 251 K (−22 °C) |
| tečna voda, led III, i led V | 350,1 MPa | −17,0 °C |
| tečna voda, led V, i led VI | 632,4 MPa | 0,16 °C |
| led Ih, led II, i led III | 213 MPa | −35 °C |
| led II, led III, i led V | 344 MPa | −24 °C |
| led II, led V, i led VI | 626 MPa | −70 °C |
Tabela trojnih tačaka uredi
Ova tabela navodi trojne tačke gas–tečnost–čvrsto telo nekoliko supstanci. Osim ako je drugačije naznačeno, podaci potiču od Nacionalnog biroa za standarde SAD (sada NIST, Nacionalni institut za standarde i tehnologiju).[8]
| Supstanca | T [K] (°C) | p [kPa]* (atm) |
|---|---|---|
| Acetilen | 192,4 K (−80,7 °C) | 120 kPa (1,2 atm) |
| Amonijak | 195,40 K (−77,75 °C) | 6,060 kPa (0,05981 atm) |
| Argon | 83,8058 K (−189,3442 °C) | 68,9 kPa (0,680 atm) |
| Arsenik | 1.090 K (820 °C) | 3.628 kPa (35,81 atm) |
| Butan[9] | 134,6 K (−138,6 °C) | 7×10−4 kPa (6,9×10−6 atm) |
| Ugljenik (grafit) | 4.765 K (4.492 °C) | 10.132 kPa (100,00 atm) |
| Ugljen dioksid | 216,55 K (−56,60 °C) | 517 kPa (5,10 atm) |
| Ugljen monoksid | 68,10 K (−205,05 °C) | 15,37 kPa (0,1517 atm) |
| Hloroform | 175,43 K (−97,72 °C) | 0,870 kPa (0,00859 atm) |
| Deuterijum | 18,63 K (−254,52 °C) | 17,1 kPa (0,169 atm) |
| Etan | 89,89 K (−183,26 °C) | 1,1×10−3 kPa (1,1×10−5 atm) |
| Etanol[10] | 150 K (−123 °C) | 4,3×10−7 kPa (4,2×10−9 atm) |
| Etilen | 104,0 K (−169,2 °C) | 0,12 kPa (0,0012 atm) |
| Mravlja kiselina[11] | 281,40 K (8,25 °C) | 2,2 kPa (0,022 atm) |
| Helijum-4 (lambda tačka)[12] | 2,1768 K (−270,9732 °C) | 5,048 kPa (0,04982 atm) |
| Helijum-4 (hcp−bcc−He-II)[13] | 1,463 K (−271,687 °C) | 26,036 kPa (0,25696 atm) |
| Helijum-4 (bcc−He-I−He-II)[13] | 1,762 K (−271,388 °C) | 29,725 kPa (0,29336 atm) |
| Helijum-4 (hcp−bcc−He-I)[13] | 1,772 K (−271,378 °C) | 30,016 kPa (0,29623 atm) |
| Heksafluoroetan[14] | 173,08 K (−100,07 °C) | 26,60 kPa (0,2625 atm) |
| Vodonik | 13,8033 K (−259,3467 °C) | 7,04 kPa (0,0695 atm) |
| Hlorovodonik | 158,96 K (−114,19 °C) | 13,9 kPa (0,137 atm) |
| Jod[15] | 386,65 K (113,50 °C) | 12,07 kPa (0,1191 atm) |
| Izobutan[16] | 113,55 K (−159,60 °C) | 1,9481×10−5 kPa (1,9226×10−7 atm) |
| Kripton | 115,76 K (−157,39 °C) | 74,12 kPa (0,7315 atm) |
| Živa | 234,3156 K (−38,8344 °C) | 1,65×10−7 kPa (1,63×10−9 atm) |
| Metan | 90,68 K (−182,47 °C) | 11,7 kPa (0,115 atm) |
| Neon | 24,5561 K (−248,5939 °C) | 43,332 kPa (0,42765 atm) |
| Azot-monoksid | 109,50 K (−163,65 °C) | 21,92 kPa (0,2163 atm) |
| Azot | 63,18 K (−209,97 °C) | 12,6 kPa (0,124 atm) |
| Azotsuboksid | 182,34 K (−90,81 °C) | 87,85 kPa (0,8670 atm) |
| Kiseonik | 54,3584 K (−218,7916 °C) | 0,14625 kPa (0,0014434 atm) |
| Paladijum | 1.825 K (1.552 °C) | 3,5×10−3 kPa (3,5×10−5 atm) |
| Platina | 2.045 K (1.772 °C) | 2×10−4 kPa (2,0×10−6 atm) |
| Radon | 202 K (−71 °C) | 70 kPa (0,69 atm) |
| (mono) Silan[17] | 88,48 K (−184,67 °C) | 0,019644 kPa (0,00019387 atm) |
| Sumpor dioksid | 197,69 K (−75,46 °C) | 1,67 kPa (0,0165 atm) |
| Titanijum | 1.941 K (1.668 °C) | 5,3×10−3 kPa (5,2×10−5 atm) |
| Uranijum heksafluorid | 337,17 K (64,02 °C) | 151,7 kPa (1,497 atm) |
| Voda[4][5] | 273,16 K (0,01 °C) | 0,611657 kPa (0,00603659 atm) |
| Ksenon | 161,3 K (−111,8 °C) | 81,5 kPa (0,804 atm) |
| Cink | 692,65 K (419,50 °C) | 0,065 kPa (0,00064 atm) |
Napomene:
- Poređenja radi, tipičan atmosferski pritisak je 101,325 kPa (1 atm).
- Pre nove definicije SI jedinica, trostruka tačka vode, 273,16 K, bila je tačan broj na dva decimalna mesta.
Reference uredi
- ^ a b IUPAC (1994). „Triple point”. Kompendijum hemijske terminologije (Internet izdanje).
- ^ Definition of the kelvin at BIPM.
- ^ James Thomson (1873) "A quantitative investigation of certain relations between the gaseous, the liquid, and the solid states of water-substance", Proceedings of the Royal Society, 22 : 27–36. From a footnote on page 28: " … the three curves would meet or cross each other in one point, which I have called the triple point".
- ^ a b International Equations for the Pressure along the Melting and along the Sublimation Curve of Ordinary Water Substance. W. Wagner, A. Saul and A. Pruss (1994), J. Phys. Chem. Ref. Data, 23, 515.
- ^ a b Murphy, D. M. (2005). „Review of the vapour pressures of ice and supercooled water for atmospheric applications”. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 131 (608): 1539—1565. Bibcode:2005QJRMS.131.1539M. doi:10.1256/qj.04.94.
- ^ Carr, Michael H. (2007). The Surface of Mars
. Cambridge University Press. str. 5. ISBN 978-0-521-87201-0.
- ^ Murphy, D. M. (2005). „Review of the vapour pressures of ice and supercooled water for atmospheric applications”. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 131 (608): 1539—1565. Bibcode:2005QJRMS.131.1539M. doi:10.1256/qj.04.94.
- ^ Cengel, Yunus A.; Turner, Robert H. (2004). Fundamentals of thermal-fluid sciences. Boston: McGraw-Hill. str. 78. ISBN 0-07-297675-6.
- ^ See Butane (data page)
- ^ See Ethanol (data page)
- ^ See Formic acid (data page)
- ^ Donnelly, Russell J.; Barenghi, Carlo F. (1998). „The Observed Properties of Liquid Helium at the Saturated Vapor Pressure”. Journal of Physical and Chemical Reference Data. 27 (6): 1217—1274. Bibcode:1998JPCRD..27.1217D. doi:10.1063/1.556028.
- ^ a b v Hoffer, J. K.; Gardner, W. R.; Waterfield, C. G.; Phillips, N. E. (april 1976). „Thermodynamic properties of 4He. II. The bcc phase and the P-T and VT phase diagrams below 2 K”. Journal of Low Temperature Physics. 23 (1): 63—102. Bibcode:1976JLTP...23...63H. S2CID 120473493. doi:10.1007/BF00117245.
- ^ See Hexafluoroethane (data page)
- ^ Walas, S. M. (1990). Chemical Process Equipment – Selection and Design. Amsterdam: Elsevier. str. 639. ISBN 0-7506-7510-1.
- ^ See Isobutane (data page)
- ^ „Silane-Gas Encyclopedia”. Gas Encyclopedia. Air Liquide.
Spoljašnje veze uredi
- Definicija kelvinovog stepena (fr.)
- Definicija kelvinovog stepena Arhivirano na sajtu Wayback Machine (16. jul 2012) (en.)
- Voda na trojnoj tački (video)
- Fazni dijagram vode