Диаграмма состояния воды. Диаграмма воды

Фазовая диаграмма воды - это... Что такое Фазовая диаграмма воды?

Фрагмент фазовой диаграммы воды

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

Элементы фазовой диаграммы

Тройные точки

№ Фазы Давление Температура Примечание МПа °C K

1	Пар	Вода	Лёд Ih	611,657 Па	0,01	273,16	[1]
2	Пар	Лёд Ih	Лёд XI	0	−201,0	72,15	[2][3][4]
3	Вода	Лёд Ih	Лёд III	209,9	−21,985	251,165	[5][6]
4	Лёд Ih	Лёд II	Лёд III	212,9	−34,7	238,45	[5][6][7]
5	Лёд II	Лёд III	Лёд V	344,3	−24,3	248,85	[5][6]
6	Лёд II	Лёд VI	Лёд XV	~ 800	−143	130	Для D2O[8]
7	Вода	Лёд III	Лёд V	350,1	−16,986	256,164	[5][6]
8	Вода	Лёд IV	Лёд XII	~ 500—600	~ −6	~ 267	[9]
9	Лёд II	Лёд V	Лёд VI	~ 620	~ −55	~ 218	[10]
10	Вода	Лёд V	Лёд VI	632,4	0.16	273,32	[5][6]
11	Лёд VI	Лёд VIII	Лёд XV	~ 1500	−143	130	Для D2O[8]
12	Лёд VI	Лёд VII	Лёд VIII	2100	~ 5	~ 278	[11][12]
13	Вода	Лёд VI	Лёд VII	2216	81,85	355	[5][6]
14	Лёд VII	Лёд VIII	Лёд X	62 000	−173	100	[13]
15	Вода	Лёд VII	Лёд X	47 000	~ 727	~ 1000	[14][15]

Кривая сублимации льда

Кривая сублимации льда. Линейный масштаб по оси P

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 (10−8 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.)русск. (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 в 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 тоже 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 °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

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.
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.
5. ↑ 1 2 3 4 5 6 Release on the pressure along the melting and the sublimation curves of ordinary water substance. IAPWS, 1993.
6. ↑ 1 2 3 4 5 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. ↑ 1 2 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. 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 h3O 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. Phys. Rev. Lett. 94 (2005)125508.
16. ↑ 1 2 3 4 5 6 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: Александров А.А, Орлов К. А., Очков В. Ф. Теплофизические свойства рабочих веществ теплоэнергетики: Интернет-справочник. — М.: Издательский дом МЭИ. 2009.

Литература

• J. L. Aragones, M. M. Conde, E. G. Noya, C. Vega The phase diagram of water at high pressures as obtained by computer simulations of the TIP4P/2005 model: the appearance of a plastic crystal phase (англ.) // Phys. Chem. Chem. Phys.. — 2009. — № 11. — P. 543–555.
• C. Vega, J. L. F. Abascal, M. M. Conde and J. L. Aragones What ice can teach us about water interactions: a critical comparison of the performance of different water models (англ.) // Faraday Discussions. — 2009. — Vol. 141. — P. 251—276.
• C. G. Salzmann, I. Kohl, T. Loerting, E. Mayer and A. Hallbrucker Pure ices IV and XII from high-density amorphous ice (англ.) // Can. J. Phys.. — 2003. — Vol. 81. — P. 25—32.
• Александров А.А, Орлов К.А., Очков В.Ф. Теплофизические свойства рабочих веществ теплоэнергетики: Интернет-справочник. М.: Издательский дом МЭИ (2009). Архивировано из первоисточника 26 мая 2012. Проверено 25 сентября 2010.
• Jana Kalovaa and Radim Maresb Equations for the Thermodynamic Properties at the Saturation Line in the Supercooled Water Region (англ.) // ICPWS XV : Preprint. — Berlin, September 8-11, 2008. — P. 1–5.
• W. Wagner, A. Saul, A. Pruβ International Equations for the Pressure along the Melting and along the Sublimation Curve of Ordinary Water Substance (англ.) // J. Phys. Chem. Ref. Data : Preprint. — 1994. — Vol. 23. — № 3. — P. 515—527.
• Percy W . Bridgman General survey of certain results in the field of high-pressure physics (англ.) : Nobel Lecture. — December 11, 1946.

dic.academic.ru

Химия строительных материалов | Диаграмма состояния воды

Диаграмма состояния воды представляет собой графическое изображение свойств системы с изменением параметров, определяющих ее состояние. Под параметрами подразумеваются независимые концентрации компонентов, температура и давление. Если система состоит из одного компонента, то диаграмма состояния изображает зависимость между давлением (Р) и температурой (Т).

На рис. 1.3 приведена диаграмма состояния воды, где на горизонтальной оси отложена температура, а на вертикальной – давление. Кривая ОА изображает равновесие между жидкостью и паром; на ней сосуществуют эти две фазы. ОА – кривая насыщенного пара над жидкостью; выше нее имеется область жидкости, а ниже – пара. Кривая ОВ изображает равновесие между твердой фазой и паром, она разграничивает две области указанных фаз, ее называют кривой возгонки (сублимации). Кривая ОС показывает зависимость температуры плавления льда от давления. На ней сосуществуют две фазы – лед (твердая) и жидкая. Кривые ОА, ОВ и ОС пересекаются в точке О, которая называется тройной точкой, ей отвечает t = 0,0076°С и р =4,6 мм рт. ст. (613,28 Па). Кривая ОА заканчивается в критической точке, отвечающей температуре 364,3°С и давлению 194,6 атм. (19 657 кПа).

Рис. 1.3. Диаграмма состояния воды в области невысоких давлений

Рассмотрим продолжение кривой плавкости льда (ОС). Она была подробно изучена в области высоких давлений (свыше 20 000 ат., или 2026,5 · 106 кПа) Тамманом и Бриджменом. Они показали существование пяти различных полиморфных модификаций льда, которые обозначены через I, II, III, V, VI, в том числе модификация I – обыкновенная форма льда. Модификация льда IV, обнаруженная Тамманом, опытами Бриджмена не подтвердилась, но последующими исследованиями было установлено наличие еще одной полиморфной формы льда (VII). Эти модификации льда имеют физические свойства, отличающиеся от свойств обыкновенной воды, например, плотность, теплота образования, кристаллические структуры и др. Плотность обычного льда I меньше воды, в то время как плотность остальных модификаций выше плотности воды.

Характер тройных точек указан в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Общая характеристика тройных точек воды

Тройная точка	Равновесные фазы	t, °C	Давление
			ат	кПа
О	Лед I – жидкая – пар	+0,0076	4,579	610,481
С	Лед I – жидкая – лед III	–22	2115	2143,02 · 105
Д	Лед III – жидкая – лед V	–17	3530	3576,77 · 105
Е	Лед V – жидкая – лед VI	+0,16	6380	6464,535 · 105
F	Лед I – лед II – лед III	–34,7	2170	2198,752 · 105
S	Лед II – лед III – лед V	–24,3	3510	3556,50 · 105

Диаграмма состояния воды в области высоких давлений приводится на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Диаграмма состояния воды в области высоких давлений

Кривая изменения температур плавления льда I наклонена влево, следовательно, с повышением давления температура плавления уменьшается. При последующем повышении давления кривые плавления льдов III, V, VI наклонены вправо (рис. 1.4), т.е. их температуры плавления повышаются.

Плотность льда VI при 0°С примерно в 1,5 раза больше плотности льда I, обладающего наименьшей плотностью среди всех модификаций и жидкой воды. Лед II, находящийся в равновесии только с твердыми фазами I, III и V, непосредственно не плавится.

В кристаллах льда каждая молекула воды соединена с ближайшими к ней четырьмя другими молекулами с помощью водородных связей. Кристаллы льда относятся к гексагональной системе (рис. 1.5), где каждый атом кислорода соединен с четырьмя ближайшими атомами кислорода, находящимися на расстояния 0,276 нм, и связь между ними осуществляется через атом водорода. Молекула воды имеет тетраэдрическую конфигурацию двух положительных и двух отрицательных зарядов. В этой тетраэдрической структуре возможна различная ориентация молекул воды.

Рис. 1.5. Схема структуры льда

Структура льда является весьма рыхлой, что обусловлено неплотной упаковкой частиц, в ней имеются пустоты (т.е. свободные места), размеры которых превышают размер молекулы воды. Так, при плотной упаковке кристаллов мольный объем должен быть 9 см3, в то время как в действительности он составляет 19,6 см3.

Для льда характерна пластичность, т. е. под действием давления он может течь, сохраняя при этом кристаллическую структуру.

3ys.ru

Диаграммы воды и водяного пара, гениальная методика

Существует очень много способов показать зависимость одних параметров от других, но в то же самое время не все они понятны. Поэтому вполне логично определить, что таблица или график – это наиболее понятный способ донесения информации до человека. Подумать только, сколько всего было изобретено, но диаграммы, которые показывают различные зависимости параметров воды и водяного пара до сих пор эффективны. Как, например, таблица Вукаловича. Ведь ее создали почти пятьдесят лет назад, но пользуются ей до сих пор. И хотя для того, чтобы ее понимать и использовать ее для расчетов, требуется время и образование, все же она проще, чем какой-либо другой способ передачи информации.Однако перейдем к прочим параметрам воды и водяного пара, диаграммы которых могут показать незамысловатые зависимости. Логично предположить, к примеру, что в случае увеличения температуры, повышается скорость движения молекул, уменьшается количество энергии, которое необходимо передать воде для того, чтобы она испарилась, но с другой стороны, есть еще несколько особенностей, из-за которых приходится создавать различные таблицы и сложные схемы зависимости от нескольких параметров.

А нужны ли таблицы и схемы?

Например, вода может переходить в состояние водяного пара только при 100 градусах по Цельсию. Так это или нет? Некоторые скажут, что да, и другого состояния быть не может. Не бывает такого, чтобы вода испарялась при температуре в 90 или 110 градусов. Однако надо брать в расчет еще и давление, при изменении которого серьезно изменяется и температура кипения воды. Чем давление выше, тем больше температура кипения, чем оно меньше, тем и температура ниже. Зависимость от стороннего параметра понятна тем, кто знает законы молекулярной физики. При этом плотность пара воды тоже подвержена изменениям.

Но все же есть еще множество разнообразных ситуаций, при которых таблица состояния перехода важна. Например, необходимость вскипятить воду в самолете при пониженном давлении в салоне требует особого отношения к жидкости. Не составляет труда понять, что и под землей, при более высоком давлении также нужно приложить больше усилий и передать большую энергию. Исходя из этого, диаграмма для водяного пара также меняется в зависимости от давления атмосферы.

Смотреть видео как работать с таблицей воды и водяного пара

Схема кислотности

Существует еще множество различных ситуаций, при которых появляется третий параметр, который в большой степени влияет на состояние жидкости или пара. Диаграмма кислотности воды (ph-баланса) в зависимости от энтальпии представляет собой достаточно сложную по своей структуре диаграмму. Чтобы разобраться в ней, придется немало посидеть над учебниками. Но понять зависимость все равно можно. Для пара подобной схемы нет, потому что кислотность водяного пара зависит от еще большего числа параметров (для этого надо вспомнить особенности очистки воды при испарении).

Таблица по жесткости

Собственно, казалось бы, что больше нет никаких ситуаций, связанных с водой, которые можно было бы использовать для составления таблиц или схем, но на самом деле практически любую зависимость можно выразить подобным образом. Очень хорошая возможность предоставляется международными стандартами по жесткости воды. Это и неудивительно. От жесткости зависит решение очень много бытовых вопросов: накипь в чайнике, в стиральной машине, а также вопросы, связанные со здоровьем. Поэтому, в отличие от водяного пара, для жидкостей существует таблица, которая определяет классы жесткости в стране, мире и единую систему.

Причем, что очень интересно, такая система по-разному относится к воде со средней жесткостью. По самым «легким» стандартам средняя жесткость признается допустимой, тогда как по строгим критериям она не разрешена в домах вообще. С таблицей можно ознакомиться лично: в ней предлагаются довольно интересные параметры. Опять же: для водяного пара такой не существует, поскольку солей в паре крайне мало и смысл создания отсутствует.

В любом случае, как удалось сегодня выяснить, графиков и схем существует невероятное множество. Все они описывают оригинальное и необычное состояние жидкости в зависимости от множества ее параметров очень и очень подробно.

Facebook

Twitter

Вконтакте

Google+

voday.ru

Диаграмма состояния воды.

poisk-ru.ru

Поиск Лекций Диаграмма состояния (или фазовая диаграмма) представляет собой графическое изображение зависимости между величинами, характеризующими состояние системы, и фазовыми превращениями в системе (переход из твердого состояния в жидкое, из жидкого в газообразной и т. д.). Диаграммы состояния широко применяются в химии. Для однокомпонентных систем обычно используются диаграммы состояния, показывающие зависимость фазовых превращений от температуры и давления; они называются диаграммами состояния в координатах Р—Т. На рисунке приведена в схематической форме (без строгого соблюдения масштаба) диаграмма состояния воды. Любой точке на диаграмме отвечают определенные значения температуры и давления. Диаграмма показывает те состояния воды, которые термодинамически устойчивы при определенных значениях температуры и давления. Она состоит из трех кривых, разграничивающих все возможные температуры и давления на три области, отвечающие льду, жидкости и пару. Рассмотрим каждую из кривых более подробно. Начнем с кривой ОА, отделяющей область пара от области жидкого состояния. Представим себе цилиндр, из которого удален воздух, после чего в него введено некоторое количество чистой, свободной от растворенных веществ, в том числе от газов, воды; цилиндр снабжен поршнем, который закреплен в некотором положении. Через некоторое время часть воды испарится и над ее поверхностью будет находиться насыщенный пар. Можно измерить его давление и убедиться в том, что оно не изменяется с течением времени и не зависит от положения поршня. Если увеличить температуру всей системы и вновь измерить давление насыщенного пара, то окажется, что оно возросло. Повторяя такие измерения при различных температурах, найдем зависимость давления насыщенного водяного пара от температуры. Кривая ОА представляет собой график этой зависимости: точки кривой показывают те пары значений температуры и давления, при которых жидкая вода и водяной пар находятся в равновесии друг с другом — сосуществуют. Кривая ОА называется кривой равновесия жидкость—пар или кривой кипения. В таблице приведены значения давления насыщенного водяного пара при нескольких температурах. Попытаемся осуществить в цилиндре давление, отличное от равновесного, например, меньшее, чем равновесное. Для этого освободим поршень и поднимем его. В первый момент давление в цилиндре, действительно, упадет, но вскоре равновесие восстановится: испарится добавочно некоторое количество воды и давление вновь достигнет равновесного значения. Только тогда, когда вся вода испарится, можно осуществить давление, меньшее, чем равновесное. Отсюда следует, что точкам, лежащим на диаграмме состояния ниже или правее кривой ОА, отвечает область пара. Если пытаться создать давление, превышающее равновесное, то этого можно достичь, лишь опустив поршень до поверхности воды. Иначе говоря, точкам диаграммы, лежащим выше или левее кривой ОА, отвечает область жидкого состояния. До каких пор простираются влево области жидкого и парообразного состояния? Наметим по одной точкев обеих областях и будем двигаться от них горизонтально влево. Этому движению точек на диаграмме отвечает охлаждение жидкости или пара при постоянном давлении. Известно, что если охлаждать воду при нормальном атмосферном давлении, то при достижении 0°С вода начнет замерзать. Проводя аналогичные опыты при других давлениях, придем к кривой ОС, отделяющей область жидкой воды от области льда. Эта кривая — кривая равновесия твердое состояние — жидкость, или кривая плавления, — показывает те пары значений температуры и давления, при которых лед и жидкая вода находятся в равновесии. Двигаясь по горизонтали влево в области пара (в нижнею части диаграммы), аналогичным образом придем к кривой 0В. Это—кривая равновесия твердое состояние—пар, или кривая сублимации. Ей отвечают те пары значений температуры к давления, при которых в равновесии находятся лед и водяной пар. Все три кривые пересекаются в точке О. Координаты этой точки—это единственная пара значений температуры и давления,. при которых в равновесии могут находиться все три фазы: лед, жидкая вода и пар. Она носит название тройной точки. Кривая плавления исследована до весьма высоких давлений, В этой области обнаружено несколько модификаций льда (на диаграмме не показаны). Справа кривая кипения оканчивается в критической точке. При температуре, отвечающей этой точке, —критической температуре— величины, характеризующие физические свойства жидкости и пара, становятся одинаковыми, так что различие между жидким и парообразным состоянием исчезает. Существование критической температуры установил в 1860 г. Д. И. Менделеев, изучая свойства жидкостей. Он показал, что при температурах, лежащих выше критической, вещество не может находиться в жидком состоянии. В 1869 г. Эндрьюс, изучая свойства газов, пришел к аналогичному выводу. Критические температура и давление для различных веществ различны. Так, для водорода = —239,9 °С, = 1,30 МПа, для хлора =144°С, =7,71 МПа, для воды = 374,2 °С, =22,12 МПа. Одной из особенностей воды, отличающих ее от других веществ, является понижение температуры плавления льда с ростом давления. Это обстоятельство отражается на диаграмме. Кривая плавления ОС на диаграмме состояния воды идет вверх влево, тогда как почти для всех других веществ она идет вверх вправо. Превращения, происходящие с водой при атмосферном давлении, отражаются на диаграмме точками или отрезками, расположенными на горизонтали, отвечающей 101,3 кПа (760 мм рт. ст.). Так, плавление льда или кристаллизация воды отвечает точке D, кипение воды—точке Е, нагревание или охлаждение воды — отрезку DE и т. п. Диаграммы состояния изучены для ряда веществ, имеющих научное или практическое значение. В принципе они подобны рассмотренной диаграмме состояния воды. Однако на диаграммах состояния различных веществ могут быть особенности. Так, известны вещества, тройная точка которых лежит при давлении, превышающем атмосферное. В этом случае нагревание кристаллов при атмосферном давлении приводит не к плавлению этого вещества, а к его сублимации - превращению твердой фазы непосредственно в газообразную.



Фазовая диаграмма воды — WiKi

Тройные точки

№ Фазы Давление Температура Примечание МПа °C K

1	Пар	Вода	Лёд Ih	611,657 Па	0,01	273,16	[1]
2	Пар	Лёд Ih	Лёд XI	0	−201,0	72,15	[2][3][4]
3	Вода	Лёд Ih	Лёд III	209,9	−21,985	251,165	[5][6]
4	Лёд Ih	Лёд II	Лёд III	212,9	−34,7	238,45	[5][6][7]
5	Лёд II	Лёд III	Лёд V	344,3	−24,3	248,85	[5][6]
6	Лёд II	Лёд VI	Лёд XV	~ 800	−143	130	Для D2O[8]
7	Вода	Лёд III	Лёд V	350,1	−16,986	256,164	[5][6]
8	Вода	Лёд IV	Лёд XII	~ 500—600	~ −6	~ 267	[9]
9	Лёд II	Лёд V	Лёд VI	~ 620	~ −55	~ 218	[10]
10	Вода	Лёд V	Лёд VI	632,4	0.16	273,32	[5][6]
11	Лёд VI	Лёд VIII	Лёд XV	~ 1500	−143	130	Для D2O[8]
12	Лёд VI	Лёд VII	Лёд VIII	2100	~ 5	~ 278	[11][12]
13	Вода	Лёд VI	Лёд VII	2216	81,85	355	[5][6]
14	Лёд VII	Лёд VIII	Лёд X	62 000	−173	100	[13]
15	Вода	Лёд VII	Лёд X	47 000	~ 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 (10−8 Па).

С хорошей точностью давление сублимации на этом участке описывается экспонентой

P=A⋅exp(−B/T),{\displaystyle P=A\cdot exp(-B/T),} 

где

A=3,41⋅1012 Pa;B=6130 K.{\displaystyle A=3,41\cdot 10^{12}~\mathrm {Pa} ;\quad B=6130~\mathrm {K} .} 

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.)русск. (англ. International Association for the Properties of Water and Steam — Международная ассоциация по изучению свойств воды и пара)[16]:

ln⁡PP0=T0T∑i=13ai(TT0)bi,{\displaystyle \ln {\frac {P}{P_{0}}}={\frac {T_{0}}{T}}\sum _{i=1}^{3}a_{i}\left({T \over T_{0}}\right)^{b_{i}},} 

где

 P0=611,657 Pa;T0=273,16 K;a1=−21,2144006;b1=0,003333333;a2=27,3203819;b2=1,20666667;a3=−6,1059813;b3=1,70333333.{\displaystyle {\begin{matrix}~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}}} 

Кривая плавления льда Ih

Кривая плавления льда Ih (то есть обычного льда) на фазовой диаграмме в области низких давлений представляет собой в 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]:

PP0=1+∑i=13ai[1−(TT0)bi],{\displaystyle {\frac {P}{P_{0}}}=1+\sum _{i=1}^{3}a_{i}\left[1-\left({T \over T_{0}}\right)^{b_{i}}\right],} 

где

 P0=611,657 Pa;T0=273,16 K;a1=1 195 393,37;b1=3,00;a2=80 818,3159;b2=25,75;a3=3 338,2686;b3=103,75;{\displaystyle {\begin{matrix}~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}}} 

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]:

PP0=1−0,299948[1−(TT0)60],{\displaystyle {\frac {P}{P_{0}}}=1-0,299948\left[1-\left({T \over T_{0}}\right)^{60}\right],} 

где

P0=208,566 MPa;T0=251,165 K.{\displaystyle P_{0}=208,566~\mathrm {MPa} ;\quad T_{0}=251,165~\mathrm {K} .} 

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]:

PP0=1−1,18721[1−(TT0)8],{\displaystyle {\frac {P}{P_{0}}}=1-1,18721\left[1-\left({T \over T_{0}}\right)^{8}\right],} 

где

P0=350,1 MPa;T0=256,164 K.{\displaystyle P_{0}=350,1~\mathrm {MPa} ;\quad T_{0}=256,164~\mathrm {K} .} 

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]:

PP0=1−1,07476[1−(TT0)4,6],{\displaystyle {\frac {P}{P_{0}}}=1-1,07476\left[1-\left({T \over T_{0}}\right)^{4,6}\right],} 

где

P0=632,4 MPa;T0=273,31 K.{\displaystyle P_{0}=632,4~\mathrm {MPa} ;\quad T_{0}=273,31~\mathrm {K} .} 

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]:

ln⁡PP0=∑i=13ai(1−(TT0)bi),{\displaystyle \ln {\frac {P}{P_{0}}}=\sum _{i=1}^{3}a_{i}\left(1-\left({T \over T_{0}}\right)^{b_{i}}\right),} 

где

 P0=2216 MPa;T0=355 K;a1=1,73683;b1=−1;a2=−0,0544606;b2=5;a3=8,06106⋅10−8;b3=22.{\displaystyle {\begin{matrix}~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}}} 

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]:

β2θ2+n1β2θ+n2β2+n3βθ2+n4βθ+n5β+n6θ2+n7θ+n8=0,{\displaystyle \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,} 

где

θ=TT0+n9TT0−n10;T0=1 K;{\displaystyle \theta ={T \over T_{0}}+{\frac {n_{9}}{{T \over T_{0}}-n_{10}}};\quad T_{0}=1~\mathrm {K} ;}  β=(PP0)0,25;P0=1 MPa;{\displaystyle \beta =\left({\frac {P}{P_{0}}}\right)^{0,25};\quad P_{0}=1~\mathrm {MPa} ;}  n0=1,0;{\displaystyle n_{0}=1,0;}  n1=1167,0521452767;{\displaystyle n_{1}=1167,0521452767;}  n2=−724213,16703206;{\displaystyle n_{2}=-724213,16703206;}  n3=−17,073846940092;{\displaystyle n_{3}=-17,073846940092;}  n4=12020,82470247;{\displaystyle n_{4}=12020,82470247;}  n5=−3232555,0322333;{\displaystyle n_{5}=-3232555,0322333;}  n6=14,91510861353;{\displaystyle n_{6}=14,91510861353;}  n7=−4823,2657361591;{\displaystyle n_{7}=-4823,2657361591;}  n8=405113,40542057;{\displaystyle n_{8}=405113,40542057;}  n9=−0,23855557567849;{\displaystyle n_{9}=-0,23855557567849;}  n10=650,17534844798.{\displaystyle n_{10}=650,17534844798.} 

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

A=θ2+n1θ+n2;{\displaystyle A=\theta ^{2}+n_{1}\theta +n_{2};}  B=n3θ2+n4θ+n5;{\displaystyle B=n_{3}\theta ^{2}+n_{4}\theta +n_{5};}  C=n6θ2+n7θ+n8,{\displaystyle C=n_{6}\theta ^{2}+n_{7}\theta +n_{8},} 

после чего находится значение β

β=−B−B2−4AC2A{\displaystyle \beta ={\frac {-B-{\sqrt {B^{2}-4AC}}}{2A}}} 

и абсолютное значение давления:

P=P0β4.{\displaystyle P=P_{0}\beta ^{4}.} 

Давление насыщенного водяного пара (кПа) при различных 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

ru-wiki.org

---

Смотрите также

• 
  Вода тухлая
• 
  Метро вода
• 
  Воды ганга
• 
  Употребление воды
• 
  Воды эффект
• 
  Обливания водой
• 
  Вскипяченная вода
• 
  Вода харьков
• 
  Подводные воды
• 
  Хранение воды
• 
  Воды стихии