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 ДавлениеТемпература ПримечаниеМПа °CK 1 Пар Вода Лёд Ih 611,657 Па 0,01 273,16 2 Пар Лёд Ih Лёд XI 0 −201,0 72,15 3 Вода Лёд Ih Лёд III 209,9 −21,985251,165 Release on the pressure along the melting and the sublimation curves of ordinary water substance. IAPWS, 1993.P. W. Bridgman Water, in the liquid and five solid forms, under pressure. Proc. Am. Acad. Arts Sci. 47, 1912, 439—558. 4 Лёд Ih Лёд II Лёд III 212,9 −34,7 238,45 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. 5 Лёд II Лёд III Лёд V 344,3 −24,3 248,85 6 Лёд II Лёд VI Лёд XV ~ 800 −143 130 Для D2OC. 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). 7 Вода Лёд III Лёд V 350,1 −16,986256,164 8 Вода Лёд IV Лёд XII ~ 500—600 ~ −6 ~ 267 E. A. Zheligovskaya, G. G. Malenkov Crystalline water ices . Russian Chem. Rev. 75 (2006) 57-76. 9 Лёд II Лёд V Лёд VI ~ 620 ~ −55 ~ 218 L. Mercury, P. Vieillard and Y. Tardy Thermodynamics of ice polymorphs and `ice-like' water in hydrates and hydroxides. Appl. Geochem. 16 (2001) 161—181.10 Вода Лёд V Лёд VI 632,4 0.16 273,32 11 Лёд VI Лёд VIIIЛёд XV ~ 1500 −143 130 Для D2O12 Лёд VI Лёд VII Лёд VIII 2100 ~ 5 ~ 278 D. Eisenberg and W. Kauzmann The structure and properties of water . Oxford University Press, London, 1969.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 Вода Лёд VI Лёд VII 2216 81,85 355 14 Лёд VIIЛёд VIIIЛёд X 62 000 −173 100 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) 014106.15 Вода Лёд VII Лёд X 47 000 ~ 727 ~ 1000 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.]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.
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
где
Ошибка этой формулы — не более 1 % в диапазоне температур 240—273,16 K и не более 2,5 % в диапазоне температур 140—240 K.
Более точно кривая сублимации описывается формулой, рекомендованной ()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.:
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 . Минимальная температура плавления 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:
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:
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:
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:
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:
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 βУравнения линии насыщения : А. А. Александров, К. А. Орлов, В. Ф. Очков Теплофизические свойства рабочих веществ теплоэнергетики: Интернет-справочник. — М.: Издательский дом МЭИ. 2009.:
где
1167.0521452767-724213.16703206-17.07384694009212020.82470247-3232555.032233314.91510861353-4823.2657361591405113.40542057-0.23855557567849650.17534844798
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
(по вертикали указано целое число градусов, по горизонтали дробное) 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 Правило фаз Тройная точка воды Фазовая диаграмма Свойства воды Упругость водяного пара
Ссылки Онлайн расчёт кривой давления насыщенного водяного пара от температуры IAPWS. Сайт Международной ассоциации по изучению свойств воды. Water Phase Diagram. Теплофизические свойства воды и водяного пара. Phase-boundary curves of water. Saturation vapor pressure formulations. Water (Data Page).
Примечания
Литература
Категория:Вода Категория:Физическая химия Категория:Материаловедение Категория:Термодинамика Категория:Диаграммы Категория:Химическая термодинамика