Тройная точка¶

Тройная точка — в термодинамике состояние вещества, при котором оно может одновременно находиться в трёх фазах: твёрдой, жидкой и газообразной. Это состояние характеризуется строго определёнными значениями температуры и давления, при которых химический потенциал всех трёх фаз равен, а сами фазы находятся в термодинамическом равновесии. Для каждого чистого вещества тройная точка является уникальной константой.

¶Физическая сущность

На фазовой диаграмме (диаграмме состояния) тройная точка отображается как точка пересечения трёх линий равновесия: кривой сублимации (твёрдое тело — газ), кривой плавления (твёрдое тело — жидкость) и кривой испарения (жидкость — газ). В этой точке система не имеет ни одной степени свободы (инвариантна): любое изменение температуры или давления выводит вещество из тройного равновесия в одно- или двухфазную область.

В отличие от критической точки, где исчезает различие между жидкостью и газом, в тройной точке все три фазы сосуществуют одновременно и имеют различимые физические свойства. При изменении внешних условий вещество переходит в ту фазу, которая термодинамически выгодна при новых параметрах.

¶Тройная точка воды

Наиболее известной и практически значимой является тройная точка воды. Она соответствует температуре 273,16 К (0,01 °C) и давлению 611,657 Па (≈ 0,006 атм). При этих условиях лёд, жидкая вода и водяной пар находятся в равновесии.

До 2019 года тройная точка воды использовалась для определения единицы термодинамической температуры — кельвина. По определению, 1 кельвин составлял 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. В мае 2019 года определение кельвина было привязано к значению постоянной Больцмана, однако тройная точка воды осталась важнейшей реперной точкой Международной практической температурной шкалы МТШ-90.

Тройную точку воды не следует путать с точкой замерзания (0 °C при нормальном давлении), так как последняя зависит от давления и наличия растворённых газов. Именно использование тройной точки позволяет калибровать термометры с высокой воспроизводимостью.

¶Тройные точки других веществ

Каждое чистое вещество имеет собственную тройную точку. Некоторые примеры:

• Углекислый газ (CO₂): тройная точка при −56,6 °C и 518 кПа. При атмосферном давлении CO₂ не существует в жидкой фазе, поэтому сухой лёд сублимирует, минуя плавление.
• Азот (N₂): тройная точка при −210 °C и 12,5 кПа.
• Кислород (O₂): тройная точка при −218,8 °C и 0,15 кПа.
• Ртуть (Hg): тройная точка при −38,8 °C и 1,65×10⁻⁷ Па.
• Гелий: уникальный случай. У изотопа ⁴He существует две жидкие фазы (He-I и He-II, сверхтекучая), поэтому на его фазовой диаграмме присутствуют две тройные точки: одна на линии раздела твёрдое тело — He-I — He-II, другая — He-I — He-II — газ.

¶Множественные тройные точки

Вещества, имеющие несколько полиморфных модификаций в твёрдом состоянии, могут обладать несколькими тройными точками. Например, у серы существуют две кристаллические формы (ромбическая и моноклинная), поэтому на её фазовой диаграмме имеются две тройные точки: одна — пар — жидкость — моноклинная сера, другая — пар — ромбическая сера — моноклинная сера. Аналогичная ситуация наблюдается у фосфора, олова и других полиморфных элементов.

¶Практическое значение

Тройная точка используется в следующих областях:

• Метрология: тройные точки веществ (воды, ртути, аргона, галлия и др.) служат реперными точками для калибровки термометров и создания эталонных ячеек. Ячейка тройной точки воды — стандартный инструмент в лабораториях температурных измерений.
• Криогенная техника: тройные точки криогенных газов применяются для создания стабильных низкотемпературных источников.
• Химическая технология: знание тройных точек необходимо для проектирования процессов сублимационной сушки, вакуумной дистилляции и сжижения газов.
• Планетология: тройная точка метана и этана используется для моделирования условий на поверхности Титана, спутника Сатурна, где существуют озёра из жидких углеводородов.

¶См. также

• Критическая точка
• Фазовая диаграмма
• Фазовый переход
• Уравнение Клапейрона — Клаузиуса

¶Источники

• И. П. Базаров. Термодинамика. — М.: Высшая школа, 1991.
• Д. В. Сивухин. Общий курс физики. Т. II. Термодинамика и молекулярная физика. — М.: Физматлит, 2005.
• Международная практическая температурная шкала МТШ-90 (ITS-90).