Diagrama de fază a apei

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 18 mai 2022; verificările necesită 2 modificări .

Diagrama de fază a apei este o afișare grafică a stării de echilibru a fazelor apei ( lichid , vapori de apă și diverse modificări ale gheții ). Este construit în sistemul de coordonate temperatură - presiune .

Elementele unei diagrame de fază

Puncte triple

Nu.	faze			Presiune	Temperatura		Notă
Nu.	faze			MPa	°C	K	Notă
unu	Aburi	Apă	Gheață Ih	611,657 Pa	0,01	273,16	[unu]
2	Aburi	Gheață Ih	Gheață XI	0	−201,0	72.15	[2] [3] [4]
3	Apă	Gheață Ih	Gheață III	209,9	−21.985	251.165	[5] [6]
patru	Gheață Ih	Gheață II	Gheață III	212,9	−34,7	238,45	[5] [6] [7]
5	Gheață II	Gheață III	Gheata V	344,3	−24,3	248,85	[5] [6]
6	Gheață II	Gheață VI	Gheata XV	~ 800	−143	130	Pentru D 2 O [8]
7	Apă	Gheață III	Gheata V	350,1	−16,986	256.164	[5] [6]
opt	Apă	Gheață IV	Gheață XII	~ 500-600	~ -6	~ 267	[9]
9	Gheață II	Gheata V	Gheață VI	~ 620	~ -55	~ 218	[zece]
zece	Apă	Gheata V	Gheață VI	632,4	0,16	273,32	[5] [6]
unsprezece	Gheață VI	Gheață VIII	Gheata XV	~ 1500	−143	130	Pentru D 2 O [8]
12	Gheață VI	Gheață VII	Gheață VIII	2100	~5	~ 278	[11] [12]
13	Apă	Gheață VI	Gheață VII	2216	81,85	355	[5] [6]
paisprezece	Gheață VII	Gheață VIII	Gheata X	62 000	−173	100	[13]
cincisprezece	Apă	Gheață VII	Gheata X	47 000	~ 727	~ 1000	[14] [15]

Curba de sublimare a gheții

Curba de sublimare a gheții începe în punctul (0 Pa; 0 K) și se termină în punctul triplu al apei (611,657 Pa; 273,16 K). În această secțiune, pe măsură ce temperatura scade, presiunea de sublimare scade exponențial și, la o temperatură de 130 K, este nesemnificativă ( 10–8 Pa).

Cu o precizie bună, presiunea de sublimare din această secțiune este descrisă de exponențial

P=A\cdot exp(-B/T),

Unde

A=3,41\cdot 10^{12}~\mathrm {Pa} ;\quad B=6130~\mathrm {K} .

Eroarea acestei formule nu este mai mare de 1% în intervalul de temperatură 240-273,16 K și nu mai mult de 2,5% în intervalul de temperatură 140-240 K.

Mai exact, curba de sublimare este descrisă de formula recomandată de IAPWS( Asociația internațională engleză pentru proprietățile apei și aburului - Asociația internațională pentru studiul proprietăților apei și aburului ) [16] :

\ln {\frac {P}{P_{0}}}={\frac {T_{0}}{T}}\sum _{i=1}^{3}a_{i}\left ({T \over T_{0}}\right)^{b_{i}},

Unde

{\begin{matrice}~P_{0}=611,657~{\mathrm {Pa);&T_{0}=273,16~{\mathrm K};\\a_{1}=-21,2144006;&b_ {1}=0,003333333 ;\\a_{2}=27,3203819;&b_{2}=1,20666667;\\a_{3}=-6,1059813;&b_{3}=1,70333333.\ end{matrix}}

Curba de topire a gheții Ih

Curba de topire a gheții Ih (adică a gheții obișnuite) pe diagrama de fază în regiunea de joasă presiune este o linie dreaptă aproape verticală. Astfel, la trecerea de la punctul triplu (611 Pa) la presiunea atmosferică (101 kPa), temperatura de topire scade cu doar 0,008 K (de la 273,16 la 273,15 K). Presiunea necesară pentru a scădea punctul de topire cu 1 K este de aproximativ 132 atm. Curba de topire de-a lungul axei orizontale ocupă intervalul de temperatură 251,165–273,16 K (–21,985 ... 0,01 °C) . Punctul minim de topire (–21,985 °C) este atins la o presiune de 208,566 MPa (2058 atm).

Curba de topire a gheții Ih este singura tranziție de fază asociată cu o modificare a stării de agregare a apei, care are o pantă inversă (pe măsură ce presiunea crește, temperatura de topire scade). Această împrejurare (în conformitate cu principiul lui Le Chatelier ) se explică prin faptul că gheața Ih are o densitate mai mică decât apa la aceeași presiune. Toate celelalte modificări ale gheții sunt mai grele decât apa, punctul lor de topire crește odată cu creșterea presiunii.

Curba de topire este descrisă de formula recomandată de IAPWS [16] :

{\frac {P}{P_{0}}}=1+\sum _{i=1}^{3}a_{i}\left[1-\left({T \over T_{0 }}\dreapta)^{b_{i}}\dreapta],

Unde

{\begin{matrice}~P_{0}=611,657~{\mathrm {Pa));&T_{0}=273,16~{\mathrm K};\\a_{1}=1~195~393, 37; &b1=3,00;\\a_{2}=80~818,3159;&b2=25,75;\\a_{3}=3~338,2686;&b3=103,75;\end{matrix }}

Curba de topire a gheții III

Curba de topire a gheții III începe în punctul de temperatură minimă de solidificare a apei (251,165 K; 208,566 MPa), unde gheața obișnuită se transformă în modificarea structurală III și se termină în punctul (256,164 K; 350,1 MPa), unde trece granița dintre fazele III și V.

Curba de topire este descrisă de formula recomandată de IAPWS [16] :

{\frac {P}{P_{0}}}=1-0,299948\left[1-\left({T \over T_{0}}\right)^{60}\right],

Unde

P_{0}=208,566~\mathrm {MPa} ;\quad T_{0}=251,165~\mathrm {K} .

Curba de topire a gheții V

Curba de topire a gheții V începe în punctul (256,164 K; 350,1 MPa), la limita dintre fazele III și V și se termină în punctul (273,31 K; 632,4 MPa), unde trece limita dintre fazele V și VI.

Curba de topire este descrisă de formula recomandată de IAPWS [16] :

{\frac {P}{P_{0}}}=1-1,18721\left[1-\left({T \over T_{0}}\right)^{8}\right],

Unde

P_{0}=350,1~\mathrm {MPa} ;\quad T_{0}=256,164~\mathrm {K} .

Curba de topire a gheții VI

Curba de topire a gheții VI începe în punctul (273,31 K; 632,4 MPa), la limita dintre fazele V și VI și se termină în punctul (355 K; 2216 MPa), unde trece limita dintre fazele VI și VII.

Curba de topire este descrisă de formula recomandată de IAPWS [16] :

{\frac {P}{P_{0}}}=1-1,07476\left[1-\left({T \over T_{0}}\right)^{4,6}\right ],

Unde

P_{0}=632,4~\mathrm {MPa} ;\quad T_{0}=273,31~\mathrm {K} .

Curba de topire a gheții VII

Curba de topire a gheții VII începe în punctul (355 K; 2216 MPa), la limita dintre fazele VI și VII și se termină în punctul (715 K; 20,6 GPa), unde trece granița fazei VII.

Curba de topire este descrisă de formula recomandată de IAPWS [16] :

\ln {\frac {P}{P_{0}}}=\sum _{i=1}^{3}a_{i}\left(1-\left({T \over T_{0) }}\dreapta)^{b_{i}}\dreapta),

Unde

{\begin{matrice}~P_{0}=2216~{\mathrm {MPa));&T_{0}=355~{\mathrm K};\\a_{1}=1,73683;&b_{1} =- 1;\\a_{2}=-0,0544606;&b_{2}=5;\\a_{3}=8,06106\cdot 10^{{-8}};&b_{3}=22 .\end{matrix} }

Curba de saturație a aburului

Curba de saturație a vaporilor de apă începe în punctul triplu al apei (273,16 K; 611,657 Pa) și se termină în punctul critic (647,096 K; 22,064 MPa). Acesta arată punctul de fierbere al apei la o anumită presiune sau, echivalent, presiunea vaporilor de apă saturați la o anumită temperatură. În punctul critic, densitatea vaporilor de apă atinge densitatea apei și astfel diferența dintre aceste stări de agregare dispare.

Conform recomandărilor IAPWS, linia de saturație este reprezentată ca o ecuație pătratică implicită în raport cu temperatura normalizată θ și presiunea normalizată β [17] :

\beta ^{2}\theta ^{2}+n_{1}\beta ^{2}\theta +n_{2}\beta ^{2}+n_{3}\beta \theta ^{ 2}+n_{4}\beta \theta +n_{5}\beta +n_{6}\theta ^{2}+n_{7}\theta +n_{8}=0,

Unde

\theta ={T \over T_{0}}+{\frac {n_{9}}{{T \over T_{0}}-n_{10}}};\quad T_{0}= 1~\mathrm {K} ;

\beta =\left({\frac {P}{P_{0}}}\right)^{0,25};\quad P_{0}=1~\mathrm {MPa} ;

$n_{1}$	1167.0521452767
$n_{2}$	-724213.16703206
$n_{3}$	-17,073846940092
$n_{4)$	12020.82470247
$n_{5}$	-3232555.0322333
$n_{6}$	14.91510861353
$n_{7}$	-4823.2657361591
$n_{8)$	405113.40542057
$n_{9)$	-0,23855557567849
$n_{{10}}$	650.17534844798

Pentru o valoare absolută dată a temperaturii T , se calculează valoarea normalizată θ și coeficienții ecuației pătratice

A=\theta ^{2}+n_{1}\theta +n_{2};

B=n_{3}\theta ^{2}+n_{4}\theta +n_{5};

C=n_{6}\theta ^{2}+n_{7}\theta +n_{8},

după care se află valoarea lui β

\beta ={\frac {-B-{\sqrt {B^{2}-4AC}}}{2A}}

și valoarea absolută a presiunii

P=P_{0}\beta ^{4}.

Presiunea vaporilor de apă saturati (kPa) la diferite temperaturi

(verticala este un număr întreg de grade, orizontala este o fracțiune)

T°C	.0	,unu	.2	.3	,patru	,5	.6	.7	,opt	,9
0	0,6112	0,6571	0,7060	0,7581	0,8135	0,8726	0,9354	1.002	1.073	1.148
zece	1.228	1.313	1.403	1.498	1.599	1.706	1.819	1.938	2.065	2.198
douăzeci	2.339	2.488	2.645	2.811	2.986	3.170	3.364	3.568	3.783	4.009
treizeci	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
cincizeci	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

Vezi și

Link -uri

Calculul online al curbei presiunii vaporilor de apă saturati în funcție de temperatură
IAPWS . Site-ul web al Asociației Internaționale pentru Studiul Proprietăților Apei.
Diagrama fazelor apei .
Proprietățile termofizice ale apei și aburului .
Curbele fază-limită ale apei .
Formulări de presiune de vapori de saturație .
Apa (Pagina de date) (link nu este disponibil) .

Note

↑ L.A.Guildner, D.P. Johnson și F.E. Jones. Presiunea de vapori a apei în punctul său triplu // J. Res. Nat. Bur. Stand.. - 1976. - Vol. 80A . - P. 505-521 . Arhivat din original la 30 aprilie 2010.
↑ MJ Francis, N. Gulati și RM Pashley. The dispersion of natural oils in de-gassed water (engleză) // J. Colloid Interface Sci .. - 2006. - Vol. 299 . - P. 673-677 . (link indisponibil)
↑ R. M. Pashley, M. Rzechowicz, L. R. Pashley și M. J. Francis. Apa degazată Este un agent de curățare mai bun // J. Phys. Chim.. - 2005. - Vol. 109 . - P. 1231-1238 . Arhivat 14 mai 2019.
↑ R. M. Pashley, M. J. Francis și M. Rzechowicz. Hidrofobicitatea lichidelor neapoase și dispersia lor în apă în condiții de degazare // Curr . Opinează. Colloid Interface Sci. - 2008. - Vol. 13 . - P. 236-244 . (link indisponibil)
↑ 1 2 3 4 5 6 Eliberarea presiunii de-a lungul curbelor de topire și sublimare a substanței obișnuite de apă . IAPWS, 1993.
↑ 1 2 3 4 5 6 P. W. Bridgman Apă, în formă lichidă și în cinci forme solide, sub presiune . Proc. A.m. Acad. Arte Sci. 47, 1912, 439-558.
↑ JLF Abascal, E. Sanz, RG Fernández și C. Vega Un model potențial pentru studiul gheții și al apei amorfe: TIP4P/Ice . J. Chem. Fiz. 122 (2005) 234511.
↑ 1 2 C. G. Salzmann, P. G. Radaelli, E. Mayer și J. L. Finney Ice XV: o nouă fază termodinamic stabilă de gheață Arhivat 3 februarie 2020 la Wayback Machine . arXiv:0906.2489v1, cond-mat.mtrl-sci (2009).
↑ EA Zheligovskaya, GG Malenkov Gheață de apă cristalină Arhivată la 28 septembrie 2006 la Wayback Machine . Rusă Chim. Rev. 75 (2006) 57-76.
↑ L. Mercury, P. Vieillard și Y. Tardy Thermodynamics of ice polymorphs and `ice-like' water in hydrates and hydroxides (link indisponibil) . Aplic. geochimie. 16 (2001) 161-181.
↑ D. Eisenberg și W. Kauzmann Structura și proprietățile apei Arhivat la 24 aprilie 2014 la Wayback Machine . Oxford University Press, Londra, 1969.
↑ L. Pauling Structura apei. În: Legături de hidrogen, Ed. D. Hadzi și HW Thompson , Pergamon Press Ltd, Londra, 1959, pp. 1-6.
↑ M. Song, H. Yamawaki, H. Fujihisa, M. Sakashita și K. Aoki Investigația în infraroșu pe gheața VIII și diagrama de fază a gheții dense . Fiz. Rev. B 68 (2003) 014106.
↑ B. Schwager, L. Chudinovskikh, A. Gavriliuk și R. Boehler Curba de topire a H2O la 90 GPa măsurată într-o celulă de diamant încălzită cu laser . J. Phys: Condens. Materia 16 (2004) S1177-S1179.]
↑ AF Goncharov, N. Goldman, LE Fried, JC Crowhurst, IF. W. Kuo, CJ Mundy și JM Zaug Ionizarea dinamică a apei în condiții extreme Arhivat 31 iulie 2013 la Wayback Machine . Fiz. Rev. Lett. 94(2005)125508.
↑ 1 2 3 4 5 6 Eliberarea revizuită a presiunii de-a lungul curbelor de topire și sublimare a substanței obișnuite de apă . Asociația internațională pentru proprietățile apei și aburului. Berlin, Germania, septembrie 2008.
↑ Ecuații ale liniilor de saturație Copie de arhivă din 20 mai 2017 la Wayback Machine : A. A. Aleksandrov, K. A. Orlov, V. F. Ochkov Proprietăți termofizice ale substanțelor de lucru ale ingineriei energiei termice: carte de referință pe Internet. - M .: Editura MPEI. 2009.

Literatură

JL Aragones, MM Conde, EG Noya, C. Vega. Diagrama de fază a apei la presiuni ridicate, obținută prin simulările computerizate ale modelului TIP4P/2005: apariția unei faze de cristal de plastic (engleză) // Chimie fizică Fizică chimică : jurnal. - 2009. - Nr. 11 . — P. 543–555 . - doi : 10.1039/B812834K .
C. Vega, JLF Abascal, MM Conde și JL Aragones. Ce ne poate învăța gheața despre interacțiunile apei: o comparație critică a performanței diferitelor modele de apă // Discuții Faraday. - 2009. - Vol. 141 . - P. 251-276 . - arXiv : 0901.1803v1 .
C.G. Salzmann, I. Kohl, T. Loerting, E. Mayer și A. Hallbrucker. Gheață pură IV și XII din gheață amorfa de înaltă densitate (engleză) // Can. J. Phys. - 2003. - Vol. 81 . - P. 25-32 . - doi : 10.1139/P02-071 .
Aleksandrov A.A. , Orlov K.A. , V.F. Ochkov Proprietățile termofizice ale substanțelor de lucru ale ingineriei energiei termice. - Ed. a II-a, revizuită. si suplimentare - M. : Editura MPEI, 2017. - 226 p. Cu. - ISBN 978-5-383-01073-0 . (Rusă)
Jana Kalovaa și Radim Maresb. Ecuații pentru proprietățile termodinamice la linia de saturație în regiunea apei suprarăcite // ICPWS XV : Preprint. - Berlin, 8-11 septembrie 2008. - P. 1-5 .
W. Wagner, A. Saul, A. Pruβ. Ecuații internaționale pentru presiunea de-a lungul topirii și de-a lungul curbei de sublimare a substanței apei obișnuite // J. Phys. Chim. Ref. Date: Preprint. - 1994. - Vol. 23 , nr. 3 . - P. 515-527 .
Percy W. Bridgman. Studiu general al anumitor rezultate în domeniul fizicii de înaltă presiune : Prelegere Nobel. - 11 decembrie 1946. (link indisponibil)

D. V. Antsyshkin, A. N. Dunaeva, O. L. Kuskov. Termodinamica tranzițiilor de fază în sistemul gheață-VI - gheață-VII - apă (engleză) // Geochimie. - 2010. - Nr. 7 . - P. 675-684 . (link indisponibil)
Jose Teixeira. „Puzzleul” comportamentului apei la temperatură scăzută // Apă . - 2010. - Nr. 2 . - P. 702-710 .
Wely Brasil Floriano, Marco Antonio Chaer Nascimento. Constanta dielectrică și densitatea apei ca funcție a presiunii la temperatură constantă // Brazilian Journal of Physics. - martie 2004. - Vol. 34 , nr. 1 . - P. 38-41 .