Fázový diagram vody

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 18. května 2022; kontroly vyžadují 2 úpravy .

Fázový diagram vody je grafickým zobrazením rovnovážného stavu fází vody ( kapalina , vodní pára a různé modifikace ledu ). Je zabudován v souřadnicovém systému teplota - tlak .

Prvky fázového diagramu

Trojité body

Ne.	Fáze			Tlak	Teplota		Poznámka
Ne.	Fáze			MPa	°C	K	Poznámka
jeden	Pára	Voda	Led Ih	611,657 Pa	0,01	273,16	[jeden]
2	Pára	Led Ih	Led XI	0	−201,0	72,15	[2] [3] [4]
3	Voda	Led Ih	Led III	209,9	−21,985	251,165	[5] [6]
čtyři	Led Ih	Led II	Led III	212,9	−34,7	238,45	[5] [6] [7]
5	Led II	Led III	Led V	344,3	−24.3	248,85	[5] [6]
6	Led II	Led VI	Led XV	~ 800	−143	130	Pro D 2 O [8]
7	Voda	Led III	Led V	350,1	−16,986	256,164	[5] [6]
osm	Voda	Led IV	Led XII	~ 500-600	~ -6	~ 267	[9]
9	Led II	Led V	Led VI	~ 620	~ -55	~ 218	[deset]
deset	Voda	Led V	Led VI	632,4	0,16	273,32	[5] [6]
jedenáct	Led VI	Led VIII	Led XV	~ 1500	−143	130	Pro D 2 O [8]
12	Led VI	Led VII	Led VIII	2100	~5	~ 278	[11] [12]
13	Voda	Led VI	Led VII	2216	81,85	355	[5] [6]
čtrnáct	Led VII	Led VIII	Led X	62 000	−173	100	[13]
patnáct	Voda	Led VII	Led X	47 000	~ 727	~ 1000	[14] [15]

Křivka sublimace ledu

Křivka sublimace ledu začíná v bodě (0 Pa; 0 K) a končí v trojném bodě vody (611,657 Pa; 273,16 K). V tomto úseku s klesající teplotou klesá exponenciálně sublimační tlak a při teplotě 130 K je nevýznamný ( 10–8 Pa).

S dobrou přesností je sublimační tlak v této části popsán exponenciálou

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

kde

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

Chyba tohoto vzorce není větší než 1 % v teplotním rozmezí 240–273,16 K a ne více než 2,5 % v teplotním rozmezí 140–240 K.

Přesněji řečeno, křivka sublimace je popsána vzorcem doporučeným 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}}\sum _{i=1}^{3}a_{i}\left ({T \over T_{0}}\right)^{b_{i}},

kde

{\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}}

Křivka tání ledu Ih

Křivka tání ledu Ih (tedy obyčejného ledu) na fázovém diagramu v oblasti nízkého tlaku je téměř svislá přímka. Při přechodu z trojného bodu (611 Pa) do atmosférického tlaku (101 kPa) tedy teplota tání klesne pouze o 0,008 K (z 273,16 na 273,15 K). Tlak potřebný ke snížení bodu tání o 1 K je asi 132 atm. Křivka tání podél vodorovné osy zaujímá teplotní rozsah 251,165–273,16 K (–21,985 ... 0,01 °C) . Minimální teplota tání (–21,985 °C) je dosažena při tlaku 208,566 MPa (2058 atm).

Křivka tání ledu Ih je jediným fázovým přechodem spojeným se změnou stavu agregace vody, který má obrácený sklon (s rostoucím tlakem klesá teplota tání). Tato okolnost (v souladu s le Chatelierovým principem ) se vysvětluje tím, že led Ih má při stejném tlaku nižší hustotu než voda. Všechny ostatní modifikace ledu jsou těžší než voda, jejich bod tání se zvyšuje s rostoucím tlakem.

Křivka tání je popsána vzorcem doporučeným IAPWS [16] :

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

kde

{\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 }}

Křivka tání ledu III

Křivka tání ledu III začíná v bodě minimální teploty tuhnutí vody (251,165 K; 208,566 MPa), kde běžný led přechází ve strukturní modifikaci III, a končí v bodě (256,164 K; 350,1 MPa), kde prochází hranice mezi fázemi III a V.

Křivka tání je popsána vzorcem doporučeným IAPWS [16] :

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

kde

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

Křivka tání ledu V

Křivka tání ledu V začíná v bodě (256,164 K; 350,1 MPa), na rozhraní mezi fázemi III a V a končí v bodě (273,31 K; 632,4 MPa), kde prochází hranice mezi fázemi V a VI.

Křivka tání je popsána vzorcem doporučeným IAPWS [16] :

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

kde

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

Křivka tání ledu VI

Křivka tání ledu VI začíná v bodě (273,31 K; 632,4 MPa), na rozhraní mezi fázemi V a VI a končí v bodě (355 K; 2216 MPa), kde prochází hranice mezi fázemi VI a VII.

Křivka tání je popsána vzorcem doporučeným IAPWS [16] :

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

kde

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

Křivka tání ledu VII

Křivka tání ledu VII začíná v bodě (355 K; 2216 MPa), na rozhraní mezi fázemi VI a VII a končí v bodě (715 K; 20,6 GPa), kudy prochází hranice fáze VII.

Křivka tání je popsána vzorcem doporučeným IAPWS [16] :

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

kde

{\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} }

Křivka saturace páry

Křivka nasycení vodní páry začíná v trojném bodě vody (273,16 K; 611,657 Pa) a končí v kritickém bodě (647,096 K; 22,064 MPa). Ukazuje bod varu vody při daném tlaku nebo ekvivalentně tlak nasycené vodní páry při dané teplotě. V kritickém bodě dosáhne hustota vodní páry hustoty vody, a tak rozdíl mezi těmito stavy agregace mizí.

Podle doporučení IAPWS je čára nasycení reprezentována jako implicitní kvadratická rovnice s ohledem na normalizovanou teplotu θ a normalizovaný tlak 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,

kde

\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
$n_{4}$	12020,82470247
${\displaystyle n_{5))$	-3232555,0322333
${\displaystyle n_{6))$	14,91510861353
${\displaystyle n_{7))$	-4823,2657361591
${\displaystyle n_{8))$	405113,40542057
${\displaystyle n_{9))$	-0,23855557567849
$n_{{10}}$	650,17534844798

Pro danou absolutní hodnotu teploty T se vypočte normalizovaná hodnota θ a koeficienty kvadratické rovnice

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},

po kterém se zjistí hodnota β

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

a absolutní hodnota tlaku

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

Tlak nasycené vodní páry (kPa) při různých teplotách

(vertikála je celé číslo stupňů, horizontála je zlomek)

T°C	.0	,jeden	.2	.3	,čtyři	,5	.6	.7	,osm	,9
0	0,6112	0,6571	0,7060	0,7581	0,8135	0,8726	0,9354	1,002	1,073	1,148
deset	1,228	1,313	1,403	1,498	1,599	1,706	1,819	1,938	2,065	2,198
dvacet	2,339	2,488	2,645	2,811	2,986	3,170	3,364	3,568	3,783	4.009
třicet	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
padesáti	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

Viz také

Odkazy

Online výpočet křivky tlaku nasycené vodní páry v závislosti na teplotě
IAPWS . Webové stránky Mezinárodní asociace pro studium vlastností vody.
Diagram vodní fáze .
Termofyzikální vlastnosti vody a páry .
Křivky fázových hranic vody .
Formulace tlaku nasycených par .
Voda (stránka s údaji) (odkaz není k dispozici) .

Poznámky

↑ L.A.Guildner, D.P. Johnson a F.E. Jones. Tlak par vody v jejím trojném bodě // J. Res. Nat. Bur. Stand.. - 1976. - Sv. 80A . - str. 505-521 . Archivováno z originálu 30. dubna 2010.
↑ MJ Francis, N. Gulati a RM Pashley. Disperze přírodních olejů v odplyněné vodě (anglicky) // J. Colloid Interface Sci .. - 2006. - Vol. 299 . - str. 673-677 . (nedostupný odkaz)
↑ R. M. Pashley, M. Rzechowicz, L. R. Pashley a M. J. Francis. Odplyněná voda Je lepší čisticí prostředek // J. Phys. Chem.. - 2005. - Sv. 109 . - S. 1231-1238 . Archivováno 14. května 2019.
↑ R. M. Pashley, M. J. Francis a M. Rzechowicz. Hydrofobnost nevodných kapalin a jejich disperze ve vodě za odplyněných podmínek // Curr . Opin. Colloid Interface Sci.- 2008. - Vol. 13 . - str. 236-244 . (nedostupný odkaz)
↑ 1 2 3 4 5 6 Uvolnění na tlaku podél křivek tání a sublimace běžné vodní substance . IAPWS, 1993.
↑ 1 2 3 4 5 6 P. W. Bridgman Voda, v kapalné a pěti pevné formě, pod tlakem . Proč. Dopoledne. Akad. Arts Sci. 47, 1912, 439-558.
↑ JLF Abascal, E. Sanz, RG Fernández a C. Vega Potenciální model pro studium ledů a amorfní vody: TIP4P/Ice . J. Chem. Phys. 122 (2005) 234511.
↑ 1 2 C. G. Salzmann, P. G. Radaelli, E. Mayer a J. L. Finney Ice XV: nová termodynamicky stabilní fáze ledu Archivováno 3. února 2020 na Wayback Machine . arXiv:0906.2489v1, cond-mat.mtrl-sci (2009).
↑ EA Zheligovskaya, GG Malenkov Krystalické vodní ledy Archivováno 28. září 2006 na Wayback Machine . Ruský Chem. Rev. 75 (2006) 57-76.
↑ L. Mercury, P. Vieillard a Y. Tardy Termodynamika ledových polymorfů a „ledové“ vody v hydrátech a hydroxidech (odkaz není k dispozici) . Appl. geochem. 16 (2001) 161-181.
↑ D. Eisenberg a W. Kauzmann Struktura a vlastnosti vody Archivováno 24. dubna 2014 na Wayback Machine . Oxford University Press, Londýn, 1969.
↑ L. Pauling Struktura vody. In: Hydrogen bonding, Ed. D. Hadzi a HW Thompson , Pergamon Press Ltd, Londýn, 1959, str. 1-6.
↑ M. Song, H. Yamawaki, H. Fujihisa, M. Sakashita a K. Aoki Infračervené vyšetřování na ledu VIII a fázový diagram hustých ledů . Phys. Rev. B 68 (2003) 014106.
↑ B. Schwager, L. Chudinovskikh, A. Gavriliuk a R. Boehler Křivka tání H2O na 90 GPa měřená v laserem vyhřívaném diamantovém článku . J. Phys: Kondenzuje. Matter 16 (2004) S1177-S1179.]
↑ AF Goncharov, N. Goldman, LE Fried, JC Crowhurst, IF. W. Kuo, CJ Mundy a JM Zaug Dynamická ionizace vody za extrémních podmínek Archivováno 31. července 2013 na Wayback Machine . Phys. Rev. Lett. 94(2005)125508.
↑ 1 2 3 4 5 6 Revidované uvolnění tlaku podél křivek tání a sublimace běžné vodní substance . Mezinárodní asociace pro vlastnosti vody a páry. Berlín, Německo, září 2008.
↑ Rovnice saturačních čar Archivní kopie ze dne 20. května 2017 na Wayback Machine : A. A. Aleksandrov, K. A. Orlov, V. F. Ochkov Termofyzikální vlastnosti pracovních látek tepelné energetiky: Internetová referenční kniha. - M .: Nakladatelství MPEI. 2009.

Literatura

JL Aragones, MM Conde, EG Noya, C. Vega. Fázový diagram vody při vysokých tlacích získaný počítačovými simulacemi modelu TIP4P/2005: vzhled plastické krystalové fáze (anglicky) // Physical Chemistry Chemical Physics: journal. - 2009. - Ne. 11 . — S. 543–555 . - doi : 10.1039/B812834K .
C. Vega, JLF Abascal, MM Conde a JL Aragones. Co nás může led naučit o interakcích s vodou: kritické srovnání výkonu různých modelů vody // Faradayovy diskuse. - 2009. - Sv. 141 . - str. 251-276 . - arXiv : 0901.1803v1 .
C. G. Salzmann, I. Kohl, T. Loerting, E. Mayer a A. Hallbrucker. Čisté ledy IV a XII z amorfního ledu s vysokou hustotou (anglicky) // Can. J. Phys.- 2003. - Vol. 81 . - str. 25-32 . - doi : 10.1139/P02-071 .
Aleksandrov A.A. , Orlov K.A. , V. F. Ochkov Termofyzikální vlastnosti pracovních látek tepelné energetiky. - 2. vyd., přepracováno. a doplňkové - M. : Nakladatelství MPEI, 2017. - 226 s. S. - ISBN 978-5-383-01073-0 . (Ruština)
Jana Kalovaa a Radim Maresb. Rovnice pro termodynamické vlastnosti na linii sytosti v oblasti podchlazené vody // ICPWS XV : Preprint. - Berlín, 8.-11. září 2008. - S. 1-5 .
W. Wagner, A. Saul, A. Pruβ. Mezinárodní rovnice pro tlak podél tání a podél křivky sublimace obyčejné vodní substance // J. Phys. Chem. Ref. Údaje: Předtisk. - 1994. - Sv. 23 , č. 3 . - str. 515-527 .
Percy W. Bridgman. Obecný přehled některých výsledků v oblasti fyziky vysokých tlaků : Nobelova přednáška. - 11. prosince 1946. (nedostupný odkaz)

D. V. Antsyshkin, A. N. Dunaeva, O. L. Kuskov. Termodynamika fázových přechodů v systému led-VI - led-VII - voda (anglicky) // Geochemistry. - 2010. - Ne. 7 . - str. 675-684 . (nedostupný odkaz)
José Teixeira. "Hádanka" chování vody při nízké teplotě // Voda . - 2010. - Ne. 2 . - str. 702-710 .
Wely Brasil Floriano, Marco Antonio Chaer Nascimento. Dielektrická konstanta a hustota vody jako funkce tlaku při konstantní teplotě // Brazilian Journal of Physics. - Březen, 2004. - Sv. 34 , č. 1 . - str. 38-41 .