Фа́зова діагра́ма води́ — графічне відображення рівноважного стану фаз води (рідини, водяної пари та різних модифікацій льоду). Будується в системі координат температура—тиск.
Елементи фазової діаграми
Потрійні точки № Фази ТискТемпература ПриміткаМПа °CK 1 Пар Вода Лід Ih 611,657 Па 0,01 273,16 2 Пар Лід Ih Лід XI 0 -201,0 72,15 3 Вода Лід Ih Лід 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 Лід Ih Лід II Лід 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 Лід II Лід III Лід V 344,3 -24,3 248,85 6 Лід II Лід VI Лід 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 Лід III Лід V 350,1 -16,986256,164 8 Вода Лід IV Лід XII ~ 500—600 ~ -6 ~ 267 E. A. Zheligovskaya, G. G. Malenkov Crystalline water ices . Russian Chem. Rev. 75 (2006) 57-76. 9 Лід II Лід V Лід 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 Лід V Лід VI 632,4 0.16 273,32 11 Лід VI Лід VIIIЛід XV ~ 1500 -143 130 Для D2O12 Лід VI Лід VII Лід 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 Лід VI Лід VII 2216 81,85 355 14 Лід VIIЛід VIIIЛід 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 Лід VII Лід 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. Крива сублімації льоду
Крива сублімації льоду починається в точці (0 Па; 0 K) і закінчується в потрійній точці води (611,657 Па; 273,16 K). На цій ділянці при зниженні температури тиск сублімації падає експоненціально і при вже температурі 130 K складає незначну величину (10−8 Па).
З гарною точністю тиск сублімації на цій ділянці описується експонентою
где
Помилка цієї формули - не більше 1% в діапазоні температур 240-273,16 K і не більше 2,5% діапазоні температур 140-240 K.
Більш точно крива сублімації описується формулою, рекомендованою IAPWS()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
Крива плавлення льоду Ih Крива плавлення льоду Ih (тобто звичайного льоду) на фазовій діаграмі в області низьких тисків є в практично вертикальну пряму. Так, при переході від потрійної точки (611 Па) до атмосферного тиску (101 кПа) температура плавлення падає всього на 0,008 K (з 273,16 до 273,15 K). Тиск, необхідне для зниження температури плавлення на 1 K становить близько 132 атм. Крива плавлення по горизонтальній осі займає діапазон температур 251,165-273,16 K . Мінімальна температура плавлення досягається при тиску 208,566 МПа (2058 атм).
Крива плавлення льоду Ih — єдиний фазовий перехід, пов'язаний зі зміною агрегатного стану води, який має зворотний нахил (при збільшенні тиску температура плавлення зменшується). Ця обставина (згідно з принципом ле Шательє) пояснюється тим, що лід Ih має меншу щільність у порівнянні з водою при тому ж тиску. Всі інші модифікації льоду важче води, їх температура плавлення при підвищенні тиску збільшується.
Крива плавлення описується формулою, рекомендованою IAPWS:
где
Крива плавлення льоду III Крива плавлення льоду III III починається в точці мінімальної температури затвердіння води (251,165 K; 208,566 МПа), де звичайний лід перетворюється на структурну модифікацію III, і закінчується в точці (256,164 K; 350,1 МПа), де проходить межа фаз III і V.
Крива плавлення описується формулою, рекомендованою IAPWS:
где
Крива плавлення льоду V Крива плавлення льоду V починається в точці (256,164 K; 350,1 МПа), на межі фаз III і V, і закінчується в точці (273,31 K; 632,4 МПа), де проходить межа фаз V та VI.
Крива плавлення описується формулою, рекомендованою IAPWS:
где
Крива плавлення льоду VI Крива плавлення льоду VI починається в точці (273,31 K; 632,4 МПа), на межі фаз V та VI, і закінчується в точці (355 K; 2216 МПа), де проходить межа фаз VI і VII.
Крива плавлення описується формулою, рекомендованою IAPWS:
где
Крива плавлення льоду VII Крива плавлення льоду VII починається в точці (355 K; 2216 МПа), на межі фаз VI і VII, і закінчується в точці (715 K; 20,6 ГПа), де проходить межа фази VII.
Крива плавлення описується формулою, рекомендованою IAPWS:
где
Крива насичення водяної пари Крива насичення водяної пари починається в потрійній точці води (273,16 K; 611,657 Па) і закінчується в критичній точці (647,096 К; 22,064 МПа). Вона показує температуру кипіння води при зазначеному тиску або, що теж саме, тиск насиченої водяної пари при вказаній температурі. У критичній точці щільність водяної пари досягає щільності води і, таким чином, різниця між цими агрегатними станами зникає.
Відповідно до рекомендацій IAPWS, лінія насичення представляється у вигляді неявного квадратного рівняння щодо нормованої температури θ і нормованого тиску βРівняння лінії насичення : Александров А.А, Орлов К. А., Очков В. Ф. Теплофизические свойства рабочих веществ теплоэнергетики: Интернет-справочник. — М.: Издательский дом МЭИ. 2009.:
де
Для заданого абсолютного значення температури T обчислюється нормоване значенняθі коефіцієнти квадратного рівняння
після чого знаходиться значенняβ
і абсолютне значення тиску:
Тиск насиченої водяної пари (кПа) при різних температурах T °C 0123456789 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
Див. також Правило фаз Потрійна точка води Фазова діаграма Властивості води Пружність водяної пари Лід-дев'ять
Посилання IAPWS . Сайт Міжнародної асоціації з вивчення властивостей води. Water Phase Diagram . Теплофізичні властивості води і водяної пари . Phase-boundary curves of water . Saturation vapor pressure formulations . Water (Data Page).
Примітки
Література