Фазова діаграма води

Докладніше: Вода

Фа́зова діагра́ма води́ — графічне відображення рівноважного стану фаз води (рідини, водяної пари та різних модифікацій льоду). Будується в системі координат температуратиск.

Фрагмент фазової діаграми води

Елементи фазової діаграмиРедагувати

Потрійні точкиРедагувати

Фази Тиск Температура Примітка
МПа °C K
1 Пар Вода Лід Ih 611,657 Па 0,01 273,16

[1]

2 Пар Лід Ih Лід XI 0 -201,0 72,15

[2][3][4]

3 Вода Лід Ih Лід III 209,9 -21,985 251,165

[5][6]

4 Лід Ih Лід II Лід III 212,9 -34,7 238,45 [5][6][7]
5 Лід II Лід III Лід V 344,3 -24,3 248,85 [5][6]
6 Лід II Лід VI Лід XV ~ 800 -143 130 Для D2O[8]
7 Вода Лід III Лід V 350,1 -16,986 256,164 [5][6]
8 Вода Лід IV Лід XII ~ 500—600 ~ -6 ~ 267

[9]

9 Лід II Лід V Лід VI ~ 620 ~ -55 ~ 218 [10]
10 Вода Лід V Лід VI 632,4 0.16 273,32 [5][6]
11 Лід VI Лід VIII Лід XV ~ 1500 -143 130 Для D2O[8]
12 Лід VI Лід VII Лід VIII 2100 ~ 5 ~ 278 [11][12]
13 Вода Лід VI Лід VII 2216 81,85 355 [5][6]
14 Лід VII Лід VIII Лід X 62 000 -173 100 [13]
15 Вода Лід VII Лід X 47 000 ~ 727 ~ 1000 [14][15]

Крива сублімації льодуРедагувати

 
Крива сублімації льоду. Лінійний масштаб по осі P

Крива сублімації льоду починається в точці (0 Па; 0 K) і закінчується в потрійній точці води (611,657 Па; 273,16 K). На цій ділянці при зниженні температури тиск сублімації падає експоненціально і при вже температурі 130 K складає незначну величину (10−8 Па).

З гарною точністю тиск сублімації на цій ділянці описується експонентою

 

где

 

Помилка цієї формули - не більше 1% в діапазоні температур 240-273,16 K і не більше 2,5% діапазоні температур 140-240 K.

Більш точно крива сублімації описується формулою, рекомендованою IAPWS(англ. International Association for the Properties of Water and Steam — Міжнародна асоціація з вивчення властивостей води і пари)[16]:

 

где

 

Крива плавлення льоду IhРедагувати

Крива плавлення льоду Ih (тобто звичайного льоду) на фазовій діаграмі в області низьких тисків є в практично вертикальну пряму. Так, при переході від потрійної точки (611 Па) до атмосферного тиску (101 кПа) температура плавлення падає всього на 0,008 K (з 273,16 до 273,15 K). Тиск, необхідне для зниження температури плавлення на 1 K становить близько 132 атм. Крива плавлення по горизонтальній осі займає діапазон температур 251,165-273,16 K (–21,985 ... 0,01 °C). Мінімальна температура плавлення (–21,985 °С) досягається при тиску 208,566 МПа (2058 атм).

Крива плавлення льоду Ih — єдиний фазовий перехід, пов'язаний зі зміною агрегатного стану води, який має зворотний нахил (при збільшенні тиску температура плавлення зменшується). Ця обставина (згідно з принципом ле Шательє) пояснюється тим, що лід Ih має меншу щільність у порівнянні з водою при тому ж тиску. Всі інші модифікації льоду важче води, їх температура плавлення при підвищенні тиску збільшується.

Крива плавлення описується формулою, рекомендованою IAPWS[16]:

 

где

 

Крива плавлення льоду IIIРедагувати

Крива плавлення льоду III III починається в точці мінімальної температури затвердіння води (251,165 K; 208,566 МПа), де звичайний лід перетворюється на структурну модифікацію III, і закінчується в точці (256,164 K; 350,1 МПа), де проходить межа фаз III і V.

Крива плавлення описується формулою, рекомендованою IAPWS[16]:

 

где

 

Крива плавлення льоду VРедагувати

Крива плавлення льоду V починається в точці (256,164 K; 350,1 МПа), на межі фаз III і V, і закінчується в точці (273,31 K; 632,4 МПа), де проходить межа фаз V та VI.

Крива плавлення описується формулою, рекомендованою IAPWS[16]:

 

где

 

Крива плавлення льоду VIРедагувати

Крива плавлення льоду VI починається в точці (273,31 K; 632,4 МПа), на межі фаз V та VI, і закінчується в точці (355 K; 2216 МПа), де проходить межа фаз VI і VII.

Крива плавлення описується формулою, рекомендованою IAPWS[16]:

 

где

 

Крива плавлення льоду VIIРедагувати

Крива плавлення льоду VII починається в точці (355 K; 2216 МПа), на межі фаз VI і VII, і закінчується в точці (715 K; 20,6 ГПа), де проходить межа фази VII.

Крива плавлення описується формулою, рекомендованою IAPWS[16]:

 

где

 

Крива насичення водяної париРедагувати

Крива насичення водяної пари починається в потрійній точці води (273,16 K; 611,657 Па) і закінчується в критичній точці (647,096 К; 22,064 МПа). Вона показує температуру кипіння води при зазначеному тиску або, що теж саме, тиск насиченої водяної пари при вказаній температурі. У критичній точці щільність водяної пари досягає щільності води і, таким чином, різниця між цими агрегатними станами зникає.

Відповідно до рекомендацій IAPWS, лінія насичення представляється у вигляді неявного квадратного рівняння щодо нормованої температури θ і нормованого тиску β[17]:

 

де

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Для заданого абсолютного значення температури T обчислюється нормоване значенняθі коефіцієнти квадратного рівняння

 
 
 

після чого знаходиться значенняβ

 

і абсолютне значення тиску:

 

Тиск насиченої водяної пари (кПа) при різних температурах

T °C 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
0 0,6112 0,6571 0,7060 0,7581 0,8135 0,8726 0,9354 1,002 1,073 1,148
10 1,228 1,313 1,403 1,498 1,599 1,706 1,819 1,938 2,065 2,198
20 2,339 2,488 2,645 2,811 2,986 3,170 3,364 3,568 3,783 4,009
30 4,247 4,497 4,759 5,035 5,325 5,629 5,947 6,282 6,632 7,000
40 7,384 7,787 8,209 8,650 9,112 9,594 10,10 10,63 11,18 11,75
50 12,35 12,98 13,63 14,31 15,02 15,76 16,53 17,33 18,17 19,04
60 19,95 20,89 21,87 22,88 23,94 25,04 26,18 27,37 28,60 29,88
70 31,20 32,57 34,00 35,48 37,01 38,60 40,24 41,94 43,70 45,53
80 47,41 49,37 51,39 53,48 55,64 57,87 60,17 62,56 65,02 67,56
90 70,18 72,89 75,68 78,57 81,54 84,61 87,77 91,03 94,39 97,85
100 101,4

Див. такожРедагувати

ПосиланняРедагувати

ПриміткиРедагувати

  1. L. A.Guildner, D. P. Johnson, and F. E. Jones Vapor pressure of water at its triple point(англ.) // J. Res. Nat. Bur. Stand.. — 1976. — Vol. 80A. — P. 505—521.
  2. M. J. Francis, N. Gulati and R. M. Pashley The dispersion of natural oils in de-gassed water(англ.) // J. Colloid Interface Sci.. — 2006. — Vol. 299. — P. 673—677.[недоступне посилання з липня 2019]
  3. R. M. Pashley, M. Rzechowicz, L. R. Pashley and M. J. Francis De-gassed water Is a better cleaning agent(англ.) // J. Phys. Chem.. — 2005. — Vol. 109. — P. 1231—1238.
  4. R. M. Pashley, M. J. Francis and M. Rzechowicz The hydrophobicity of non-aqueous liquids and their dispersion in water under de-gassed conditions(англ.) // Curr. Opin. Colloid Interface Sci.. — 2008. — Vol. 13. — P. 236—244.[недоступне посилання з липня 2019]
  5. а б в г д е Release on the pressure along the melting and the sublimation curves of ordinary water substance Архівовано 6 жовтень 2008 у Wayback Machine.. IAPWS, 1993.
  6. а б в г д е P. W. Bridgman Water, in the liquid and five solid forms, under pressure. Proc. Am. Acad. Arts Sci. 47, 1912, 439—558.
  7. J. L. F. Abascal, E. Sanz, R. G. Fernández, and C. Vega A potential model for the study of ices and amorphous water: TIP4P/Ice. J. Chem. Phys. 122 (2005) 234511.
  8. а б C. G. Salzmann, P. G. Radaelli, E. Mayer and J. L. Finney Ice XV: a new thermodynamically stable phase of ice. arXiv:0906.2489v1, cond-mat.mtrl-sci (2009).
  9. E. A. Zheligovskaya, G. G. Malenkov Crystalline water ices. Russian Chem. Rev. 75 (2006) 57-76.
  10. L. Mercury, P. Vieillard and Y. Tardy Thermodynamics of ice polymorphs and `ice-like' water in hydrates and hydroxides[недоступне посилання з липня 2019]. Appl. Geochem. 16 (2001) 161—181.
  11. D. Eisenberg and W. Kauzmann The structure and properties of water. Oxford University Press, London, 1969.
  12. L. Pauling The structure of water. В кн.: Hydrogen bonding, Ed. D. Hadzi and H. W. Thompson, Pergamon Press Ltd, London, 1959, pp 1-6.
  13. M. Song, H. Yamawaki, H. Fujihisa, M. Sakashita and K. Aoki Infrared investigation on ice VIII and the phase diagram of dense ices. Phys. Rev. B 68 (2003) 014106.
  14. B. Schwager, L. Chudinovskikh, A. Gavriliuk and R. Boehler Melting curve of H2O to 90 GPa measured in a laser-heated diamond cell. J. Phys: Condens. Matter 16 (2004) S1177-S1179.
  15. A. F. Goncharov, N. Goldman, L. E. Fried, J. C. Crowhurst, I-F. W. Kuo, C. J. Mundy and J. M. Zaug Dynamic ionization of water under extreme conditions Архівовано 31 липень 2013 у Wayback Machine.. Phys. Rev. Lett. 94 (2005)125508.
  16. а б в г д е Revised Release on the Pressure along the Melting and Sublimation Curves of Ordinary Water Substance Архівовано 6 жовтень 2008 у Wayback Machine.. The International Association for the Properties of Water and Steam. Berlin, Germany, September 2008.
  17. Рівняння лінії насичення: Александров А.А, Орлов К. А., Очков В. Ф. Теплофизические свойства рабочих веществ теплоэнергетики: Интернет-справочник. — М.: Издательский дом МЭИ. 2009.

ЛітератураРедагувати