Фазовая диаграмма воды

Фа́зовая диагра́мма воды — графическое отображение равновесного состояния фаз воды (жидкости, водяного пара и различных модификаций льда). Строится в системе координат температурадавление.

Фрагмент фазовой диаграммы воды

Элементы фазовой диаграммы

Тройные точки

ФазыДавлениеТемпература Примечание
МПа°CK
1ПарВодаЛёд Ih611,657 Па0,01273,16

[1]

2ПарЛёд IhЛёд XI0−201,072,15

[2][3][4]

3ВодаЛёд IhЛёд III209,9−21,985251,165

[5][6]

4Лёд IhЛёд IIЛёд III212,9−34,7238,45[5][6][7]
5Лёд IIЛёд IIIЛёд V344,3−24,3248,85[5][6]
6Лёд IIЛёд VIЛёд XV~ 800−143130Для D2O[8]
7ВодаЛёд IIIЛёд V350,1−16,986256,164[5][6]
8ВодаЛёд IVЛёд XII~ 500—600~ −6~ 267

[9]

9Лёд IIЛёд VЛёд VI~ 620~ −55~ 218[10]
10ВодаЛёд VЛёд VI632,40.16273,32[5][6]
11Лёд VIЛёд VIIIЛёд XV~ 1500−143130Для D2O[8]
12Лёд VIЛёд VIIЛёд VIII2100~ 5~ 278[11][12]
13ВодаЛёд VIЛёд VII221681,85355[5][6]
14Лёд VIIЛёд VIIIЛёд X62 000−173100[13]
15ВодаЛёд VIIЛёд X47 000~ 727~ 1000[14][15]

Кривая сублимации льда

Кривая сублимации льда.

Кривая сублимации льда начинается в точке (0 Па; 0 K) и заканчивается в тройной точке воды (611,657 Па; 273,16 K). На этом участке при снижении температуры давление сублимации падает экспоненциально и при уже температуре 130 K составляет незначительную величину (108 Па).

С хорошей точностью давление сублимации на этом участке описывается экспонентой

где

Ошибка этой формулы — не более 1 % в диапазоне температур 240—273,16 K и не более 2,5 % диапазоне температур 140—240 K.

Более точно кривая сублимации описывается формулой, рекомендованной IAPWS (англ. International Association for the Properties of Water and Steam — Международная ассоциация по изучению свойств воды и пара)[16]:

где

Кривая плавления льда Ih

Кривая плавления льда Ih (то есть обычного льда) на фазовой диаграмме в области низких давлений представляет собой практически вертикальную прямую. Так, при переходе от тройной точки (611 Па) к атмосферному давлению (101 кПа) температура плавления падает всего на 0,008 K (с 273,16 до 273,15 K). Давление, необходимое для снижения температуры плавления на 1 K составляет около 132 атм. Кривая плавления по горизонтальной оси занимает диапазон температур 251,165—273,16 K (–21,985 ... 0,01 °C). Минимальная температура плавления (–21,985 °С) достигается при давлении 208,566 МПа (2058 атм).

Кривая плавления льда Ih — единственный фазовый переход, связанный с изменением агрегатного состояния воды, который имеет обратный наклон (при увеличении давления температура плавления уменьшается). Это обстоятельство (в соответствии с принципом ле Шателье) объясняется тем, что лёд Ih имеет меньшую плотность по сравнению с водой при том же давлении. Все остальные модификации льда тяжелее воды, их температура плавления при повышении давления увеличивается.

Кривая плавления описывается формулой, рекомендованной IAPWS[16]:

где

Кривая плавления льда III

Кривая плавления льда III начинается в точке минимальной температуры затвердевания воды (251,165 K; 208,566 МПа), где обычный лёд превращается в структурную модификацию III, и заканчивается в точке (256,164 K; 350,1 МПа), где проходит граница фаз III и V.

Кривая плавления описывается формулой, рекомендованной IAPWS[16]:

где

Кривая плавления льда V

Кривая плавления льда V начинается в точке (256,164 K; 350,1 МПа), на границе фаз III и V, и заканчивается в точке (273,31 K; 632,4 МПа), где проходит граница фаз V и VI.

Кривая плавления описывается формулой, рекомендованной IAPWS[16]:

где

Кривая плавления льда VI

Кривая плавления льда VI начинается в точке (273,31 K; 632,4 МПа), на границе фаз V и VI, и заканчивается в точке (355 K; 2216 МПа), где проходит граница фаз VI и VII.

Кривая плавления описывается формулой, рекомендованной IAPWS[16]:

где

Кривая плавления льда VII

Кривая плавления льда VII начинается в точке (355 K; 2216 МПа), на границе фаз VI и VII, и заканчивается в точке (715 K; 20,6 ГПа), где проходит граница фазы VII.

Кривая плавления описывается формулой, рекомендованной IAPWS[16]:

где

Кривая насыщения водяного пара

Кривая насыщения водяного пара начинается в тройной точке воды (273,16 K; 611,657 Па) и заканчивается в критической точке (647,096 К; 22,064 МПа). Она показывает температуру кипения воды при указанном давлении или, что то же самое, давление насыщенного водяного пара при указанной температуре. В критической точке плотность водяного пара достигает плотности воды и, таким образом, различие между этими агрегатными состояниями исчезает.

Согласно рекомендациям IAPWS, линия насыщения представляется в виде неявного квадратного уравнения относительно нормированной температуры θ и нормированного давления β[17]:

где

Для заданного абсолютного значения температуры T вычисляется нормированное значение θ и коэффициенты квадратного уравнения

после чего находится значение β

и абсолютное значение давления

Давление насыщенного водяного пара (кПа) при различных температурах

T °C0123456789
00,61120,65710,70600,75810,81350,87260,93541,0021,0731,148
101,2281,3131,4031,4981,5991,7061,8191,9382,0652,198
202,3392,4882,6452,8112,9863,1703,3643,5683,7834,009
304,2474,4974,7595,0355,3255,6295,9476,2826,6327,000
407,3847,7878,2098,6509,1129,59410,1010,6311,1811,75
5012,3512,9813,6314,3115,0215,7616,5317,3318,1719,04
6019,9520,8921,8722,8823,9425,0426,1827,3728,6029,88
7031,2032,5734,0035,4837,0138,6040,2441,9443,7045,53
8047,4149,3751,3953,4855,6457,8760,1762,5665,0267,56
9070,1872,8975,6878,5781,5484,6187,7791,0394,3997,85
100101,4

См. также

Ссылки

Примечания

  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. (недоступная ссылка)
  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. (недоступная ссылка)
  5. Release on the pressure along the melting and the sublimation curves of ordinary water substance. IAPWS, 1993.
  6. 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. 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 (недоступная ссылка). 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 Архивная копия от 31 июля 2013 на Wayback Machine. Phys. Rev. Lett. 94 (2005)125508.
  16. Revised Release on the Pressure along the Melting and Sublimation Curves of Ordinary Water Substance. The International Association for the Properties of Water and Steam. Berlin, Germany, September 2008.
  17. Уравнения линии насыщения: А. А. Александров, К. А. Орлов, В. Ф. Очков Теплофизические свойства рабочих веществ теплоэнергетики: Интернет-справочник. — М.: Издательский дом МЭИ. 2009.

Литература

This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.