Fasdiagram av vatten

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 18 maj 2022; kontroller kräver 2 redigeringar .

Fasdiagrammet för vatten är en grafisk visning av jämviktstillståndet för vattenfaserna ( vätska , vattenånga och olika modifieringar av is ). Den är inbyggd i temperatur - tryckkoordinatsystemet .

Element i ett fasdiagram

Trippelpoäng

Nej.	Faser			Tryck	Temperatur		Notera
Nej.	Faser			MPa	°C	K	Notera
ett	Ånga	Vatten	Is Ih	611.657 Pa	0,01	273,16	[ett]
2	Ånga	Is Ih	Is XI	0	−201,0	72,15	[2] [3] [4]
3	Vatten	Is Ih	Is III	209,9	−21.985	251,165	[5] [6]
fyra	Is Ih	Is II	Is III	212,9	−34,7	238,45	[5] [6] [7]
5	Is II	Is III	Is V	344,3	−24.3	248,85	[5] [6]
6	Is II	Is VI	Is XV	~ 800	−143	130	För D 2 O [8]
7	Vatten	Is III	Is V	350,1	−16.986	256,164	[5] [6]
åtta	Vatten	Is IV	Is XII	~ 500-600	~ -6	~ 267	[9]
9	Is II	Is V	Is VI	~620	~ -55	~ 218	[tio]
tio	Vatten	Is V	Is VI	632,4	0,16	273,32	[5] [6]
elva	Is VI	Is VIII	Is XV	~1500	−143	130	För D 2 O [8]
12	Is VI	Is VII	Is VIII	2100	~5	~ 278	[11] [12]
13	Vatten	Is VI	Is VII	2216	81,85	355	[5] [6]
fjorton	Is VII	Is VIII	Ice X	62 000	−173	100	[13]
femton	Vatten	Is VII	Ice X	47 000	~ 727	~ 1000	[14] [15]

Issublimeringskurva

Issublimeringskurvan börjar vid punkten (0 Pa; 0 K) och slutar vid vattnets trippelpunkt ( 611,657 Pa; 273,16 K). I detta avsnitt, när temperaturen sjunker, sjunker sublimeringstrycket exponentiellt och vid en temperatur på 130 K är det obetydligt ( 10–8 Pa).

Med god noggrannhet beskrivs sublimeringstrycket i detta avsnitt av exponentialen

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

var

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

Felet i denna formel är inte mer än 1 % i temperaturområdet 240–273,16 K och inte mer än 2,5 % i temperaturområdet 140–240 K.

Mer exakt beskrivs sublimeringskurvan av formeln som rekommenderas av IAPWS( English International Association for the Properties of Water and Steam - International Association for the Study of the Properties of Water and Steam ) [16] :

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

var

{\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{matris}}

Issmältningskurva Ih

Smältkurvan för is Ih (det vill säga vanlig is) på fasdiagrammet i lågtrycksområdet är en nästan vertikal rät linje. Sålunda, när man passerar från trippelpunkten (611 Pa) till atmosfärstryck (101 kPa), sjunker smälttemperaturen med endast 0,008 K (från 273,16 till 273,15 K). Trycket som krävs för att sänka smältpunkten med 1 K är cirka 132 atm. Smältkurvan längs den horisontella axeln upptar temperaturområdet 251.165–273.16 K (–21.985 ... 0.01 °C) . Den lägsta smältpunkten (–21.985 °C) uppnås vid ett tryck på 208.566 MPa (2058 atm).

Issmältningskurvan Ih är den enda fasövergången som är förknippad med en förändring i vattnets aggregationstillstånd, som har en omvänd lutning (när trycket ökar minskar smälttemperaturen). Denna omständighet (i enlighet med le Chateliers princip ) förklaras av det faktum att is Ih har en lägre densitet än vatten vid samma tryck. Alla andra modifieringar av is är tyngre än vatten, deras smältpunkt ökar med ökande tryck.

Smältkurvan beskrivs av formeln som rekommenderas av IAPWS [16] :

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

var

{\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{matris }}

Issmältningskurva III

Smältkurvan för is III börjar vid punkten för vattnets lägsta stelningstemperatur (251.165 K; 208.566 MPa), där vanlig is förvandlas till strukturell modifiering III, och slutar vid punkten (256.164 K; 350.1 MPa), där gränsen mellan faserna III och V passerar.

Smältkurvan beskrivs av formeln som rekommenderas av IAPWS [16] :

{\frac {P}{P_{0}}}=1-0.299948\left[1-\left({T \over T_{0}}\right)^{60}\right],

var

P_{0}=208.566~\mathrm {MPa} ;\quad T_{0}=251.165~\mathrm {K} .

Issmältningskurva V

Smältkurvan för is V börjar vid punkten (256,164 K; 350,1 MPa), vid gränsen mellan faserna III och V, och slutar vid punkten (273,31 K; 632,4 MPa), där gränsen mellan faserna V och VI passerar.

Smältkurvan beskrivs av formeln som rekommenderas av IAPWS [16] :

{\frac {P}{P_{0}}}=1-1.18721\left[1-\left({T \over T_{0}}\right)^{8}\right],

var

P_{0}=350.1~\mathrm {MPa} ;\quad T_{0}=256.164~\mathrm {K} .

Ice Melt Curve VI

Issmältningskurvan börjar vid punkten (273,31 K; 632,4 MPa), vid gränsen mellan faserna V och VI, och slutar vid punkten (355 K; 2216 MPa), där gränsen mellan faserna VI och VII passerar.

Smältkurvan beskrivs av formeln som rekommenderas av IAPWS [16] :

{\frac {P}{P_{0}}}=1-1.07476\left[1-\left({T \over T_{0}}\right)^{4,6}\right ],

var

P_{0}=632.4~\mathrm {MPa} ;\quad T_{0}=273.31~\mathrm {K} .

Ice Melt Curve VII

Issmältningskurvan för is VII börjar vid punkten (355 K; 2216 MPa), vid gränsen mellan faserna VI och VII, och slutar vid punkten (715 K; 20,6 GPa), där gränsen för fas VII passerar.

Smältkurvan beskrivs av formeln som rekommenderas av IAPWS [16] :

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

var

{\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{matris} }

Ångmättnadskurva

Mättnadskurvan för vattenånga börjar vid vattnets trippelpunkt (273,16 K; 611,657 Pa) och slutar vid den kritiska punkten (647,096 K; 22,064 MPa). Den visar kokpunkten för vatten vid ett givet tryck, eller, ekvivalent, trycket för mättad vattenånga vid en given temperatur. Vid den kritiska punkten når vattenångans densitet vattentätheten, och därmed försvinner skillnaden mellan dessa aggregationstillstånd.

Enligt IAPWS rekommendationer representeras mättnadslinjen som en implicit kvadratisk ekvation med avseende på normaliserad temperatur θ och normaliserat tryck 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,

var

\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
${\displaystyle n_{3))$	-17.073846940092
${\displaystyle n_{4))$	12020.82470247
${\displaystyle n_{5))$	-3232555.0322333
${\displaystyle n_{6))$	14.91510861353
${\displaystyle n_{7))$	-4823.2657361591
${\displaystyle n_{8))$	405113.40542057
$n_{9}$	-0,23855557567849
$n_{{10}}$	650.17534844798

För ett givet absolutvärde av temperatur T beräknas det normaliserade värdet θ och koefficienterna för andragradsekvationen

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},

varefter värdet av β hittas

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

och tryckets absoluta värde

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

Mättat vattenångtryck (kPa) vid olika temperaturer

(den vertikala är ett heltal av grader, den horisontella är en bråkdel)

T°C	.0	,ett	.2	.3	,fyra	,5	.6	.7	,åtta	,9
0	0,6112	0,6571	0,7060	0,7581	0,8135	0,8726	0,9354	1,002	1,073	1,148
tio	1,228	1,313	1,403	1,498	1,599	1,706	1,819	1,938	2,065	2,198
tjugo	2,339	2,488	2,645	2,811	2,986	3,170	3,364	3,568	3,783	4,009
trettio	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
femtio	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

Se även

Länkar

Online beräkning av mättat vattenångtryck kontra temperaturkurva
IAPWS . Webbplats för International Association for the Study of the Properties of Water.
Vattenfasdiagram .
Termofysiska egenskaper hos vatten och ånga .
Fasgränskurvor för vatten .
Mättnadsångtrycksformuleringar .
Vatten (datasida) (länk ej tillgänglig) .

Anteckningar

↑ L.A.Guildner, D.P. Johnson och F.E. Jones. Vattentryckets ångtryck vid dess trippelpunkt // J. Res. Nat. Bur. Stand.. - 1976. - Vol. 80A . - s. 505-521 . Arkiverad från originalet den 30 april 2010.
↑ MJ Francis, N. Gulati och RM Pashley. Dispersionen av naturliga oljor i avgasat vatten (engelska) // J. Colloid Interface Sci .. - 2006. - Vol. 299 . - s. 673-677 . (inte tillgänglig länk)
↑ R. M. Pashley, M. Rzechowicz, L. R. Pashley och M. J. Francis. Avgasat vatten Är ett bättre rengöringsmedel // J. Phys. Chem.. - 2005. - Vol. 109 . - P. 1231-1238 . Arkiverad 14 maj 2019.
↑ R.M. Pashley, M.J. Francis och M. Rzechowicz. Hydrofobiciteten hos icke-vattenhaltiga vätskor och deras dispergering i vatten under avgasade förhållanden // Curr . Opin. Colloid Interface Sci. - 2008. - Vol. 13 . - S. 236-244 . (inte tillgänglig länk)
↑ 1 2 3 4 5 6 Släpp på trycket längs smält- och sublimeringskurvorna för vanligt vattenämne . IAPWS, 1993.
↑ 1 2 3 4 5 6 P. W. Bridgman Vatten, i flytande och fem fast form, under tryck . Proc. Am. Acad. Arts Sci. 47, 1912, 439-558.
↑ JLF Abascal, E. Sanz, RG Fernández och C. Vega En potentiell modell för studiet av isar och amorft vatten: TIP4P/Ice . J. Chem. Phys. 122 (2005) 234511.
↑ 1 2 C. G. Salzmann, P. G. Radaelli, E. Mayer och J. L. Finney Ice XV: en ny termodynamiskt stabil isfas Arkiverad 3 februari 2020 på Wayback Machine . arXiv:0906.2489v1, cond-mat.mtrl-sci (2009).
↑ EA Zheligovskaya, GG Malenkov Kristallina vattenisar Arkiverad 28 september 2006 på Wayback Machine . Russian Chem. Varv. 75 (2006) 57-76.
↑ L. Mercury, P. Vieillard och Y. Tardy Termodynamik för ispolymorfer och "isliknande" vatten i hydrater och hydroxider (länk ej tillgänglig) . Appl. geochem. 16 (2001) 161-181.
↑ D. Eisenberg och W. Kauzmann Vattenstrukturen och egenskaperna Arkiverad 24 april 2014 på Wayback Machine . Oxford University Press, London, 1969.
↑ L. Pauling Vattenstrukturen. I: Hydrogen bonding, Ed. D. Hadzi och HW Thompson , Pergamon Press Ltd, London, 1959, sid 1-6.
↑ M. Song, H. Yamawaki, H. Fujihisa, M. Sakashita och K. Aoki Infraröd undersökning på is VIII och fasdiagrammet för täta isar . Phys. Varv. B 68 (2003) 014106.
↑ B. Schwager, L. Chudinovskikh, A. Gavriliuk och R. Boehler Smältkurva för H2O till 90 GPa mätt i en laseruppvärmd diamantcell . J. Phys: Kondenser. Ärende 16 (2004) S1177-S1179.]
↑ AF Goncharov, N. Goldman, LE Fried, JC Crowhurst, IF. W. Kuo, CJ Mundy och JM Zaug Dynamisk jonisering av vatten under extrema förhållanden Arkiverad 31 juli 2013 på Wayback Machine . Phys. Varv. Lett. 94(2005)125508.
↑ 1 2 3 4 5 6 Reviderad frisättning av trycket längs smält- och sublimeringskurvorna för vanligt vattenämne . International Association for Properties of Water and Steam. Berlin, Tyskland, september 2008.
↑ Mättnadslinjeekvationer Arkivkopia daterad 20 maj 2017 på Wayback Machine : A. A. Aleksandrov, K. A. Orlov, V. F. Ochkov Termofysiska egenskaper hos arbetsämnen i värmekraftteknik: Internetreferensbok. - M .: MPEI Publishing House. 2009.

Litteratur

JL Aragones, MM Conde, EG Noya, C. Vega. Fasdiagrammet för vatten vid höga tryck som erhållits genom datorsimuleringar av TIP4P/2005-modellen: utseendet på en plastkristallfas (engelska) // Physical Chemistry Chemical Physics : journal. - 2009. - Nej . 11 . — S. 543–555 . - doi : 10.1039/B812834K .
C. Vega, JLF Abascal, MM Conde och JL Aragones. Vad is kan lära oss om vatteninteraktioner: en kritisk jämförelse av prestanda för olika vattenmodeller // Faraday Discussions. - 2009. - Vol. 141 . - s. 251-276 . - arXiv : 0901.1803v1 .
C.G. Salzmann, I. Kohl, T. Loerting, E. Mayer och A. Hallbrucker. Rena isar IV och XII från amorf is med hög densitet (engelska) // Can. J. Phys. - 2003. - Vol. 81 . - S. 25-32 . - doi : 10.1139/P02-071 .
Aleksandrov A.A. , Orlov K.A. , V.F. Ochkov Termofysiska egenskaper hos arbetsämnen i termisk kraftteknik. - 2:a uppl., reviderad. och ytterligare - M. : MPEI Publishing House, 2017. - 226 sid. Med. - ISBN 978-5-383-01073-0 . (ryska)
Jana Kalovaa och Radim Maresb. Ekvationer för de termodynamiska egenskaperna vid mättnadslinjen i underkylt vattenområde // ICPWS XV : Preprint. - Berlin, 8-11 september 2008. - S. 1-5 .
W. Wagner, A. Saul, A. Pruß. Internationella ekvationer för trycket längs smältningen och längs sublimeringskurvan för vanligt vattenämne // J. Phys. Chem. Ref. Data: Förtryck. - 1994. - Vol. 23 , nr. 3 . - s. 515-527 .
Percy W. Bridgman. Allmän översikt över vissa resultat inom högtrycksfysikområdet : Nobelföreläsning. - 11 december 1946. (inte tillgänglig länk)

D.V. Antsyshkin, A.N. Dunaeva, O.L. Kuskov. Termodynamik för fasövergångar i systemet is-VI - is-VII - vatten (engelska) // Geokemi. - 2010. - Nej . 7 . - s. 675-684 . (inte tillgänglig länk)
Jose Teixeira. "Pusslet" om vattenbeteende vid låg temperatur // Vatten . - 2010. - Nej . 2 . - s. 702-710 .
Wely Brasil Floriano, Marco Antonio Chaer Nascimento. Dielektrisk konstant och vattendensitet som funktion av tryck vid konstant temperatur // Brazilian Journal of Physics. - Mars 2004. - Vol. 34 , nr. 1 . - S. 38-41 .