KOLMIPISTE: VEDEN, SYKLOHEKSAANIN JA BENTSEENIN OMINAISUUDET - FYYSINEN - 2025

Kolmoispisteen on termi alalla termodynamiikan, joka viittaa lämpötilan ja paineen, jossa kolme vaihetta aineen yhtaikaa tilassa termodynaamisen tasapainon. Tämä kohta on olemassa kaikille aineille, vaikka olosuhteet, joissa ne saavutetaan, vaihtelevat suuresti kunkin aineen välillä.

Kolmipiste voi sisältää myös useamman kuin yhden samantyyppisen vaiheen tietylle aineelle; eli havaitaan kaksi erilaista kiinteää, neste- tai kaasufaasia. Helium, erityisesti sen isotooppinen helium-4, on hyvä esimerkki kolmipisteestä, joka käsittää kaksi erillistä nestefaasia: normaali neste ja superneste.

Kolmipisteominaisuudet

Veden kolminkertaista kohtaa käytetään määrittämään kelvin, termodynaamisen lämpötilan perusyksikkö kansainvälisessä yksikköjärjestelmässä (SI). Tämä arvo asetetaan määritelmän sijasta eikä mitattu.

Kunkin aineen kolmipisteet voidaan havaita käyttämällä vaihekaavioita, jotka on piirretty graafiin, jotka antavat mahdollisuuden osoittaa aineen kiinteiden, nestemäisten, kaasumaisten (ja erityistapauksissa muiden) vaiheiden rajoittavia olosuhteita, kun se on ne aiheuttavat lämpötilan, paineen ja / tai liukoisuuden muutoksia.

Aine löytyy sulamispisteestään, jossa kiinteä aine kohtaa nesteen; se löytyy myös sen kiehumispisteestä, jossa neste kohtaa kaasun. Kolme vaihetta saavutetaan kuitenkin kolmen pisteen kohdalla. Nämä kaaviot ovat erilaiset jokaiselle aineelle, kuten myöhemmin nähdään.

Kolmipistettä voidaan käyttää tehokkaasti lämpömittarin kalibroinnissa hyödyntämällä kolmipistekennoja.

Nämä ovat näytteitä eristetyissä olosuhteissa olevista aineista (lasin "kennojen sisällä"), jotka ovat kolminkertaisessa pisteessään tunnetuissa lämpötila- ja paineolosuhteissa ja helpottavat siten lämpömittarin mittausten tarkkuuden tutkimista.

Tämän käsitteen tutkimusta on käytetty myös Marsin planeetan tutkimisessa, jossa yritettiin tietää merenpinta 1970-luvulla suoritettujen operaatioiden aikana.

Kolminkertainen vesipiste

Tarkat paine- ja lämpötilaolosuhteet, joissa vesi esiintyvät tasapainon kolmessa vaiheessa - nestemäisessä vedessä, jäässä ja höyryssä - esiintyvät lämpötilassa, joka on tarkalleen 273,16 K (0,01 ºC) ja höyryn osapaineessa 611,656 paskalia (0,00603659 atm).

Tässä vaiheessa aineen muuntaminen mille tahansa kolmesta vaiheesta on mahdollista, kun sen lämpötilassa tai paineessa tapahtuu vähän muutoksia. Vaikka järjestelmän kokonaispaine voisi olla korkeampi kuin kolminkertaiseksi pisteeksi vaaditaan, jos höyryn osapaine on 611,656 Pa, järjestelmä saavuttaa kolminkertaisen pisteen samalla tavalla.

Edellisessä kuvassa on mahdollista tarkkailla aineen, joka on samanlainen kuin veden kaavio, kolmen pisteen (tai englanniksi kolmen pisteen) esitys lämpötilan ja paineen mukaan, joka vaaditaan tämän arvon saavuttamiseksi.

Veden tapauksessa tämä kohta vastaa minimipainetta, jolla nestemäistä vettä voi esiintyä. Paineissa, jotka ovat alle tämän kolminkertaisen pisteen (esimerkiksi tyhjiössä) ja kun käytetään jatkuvaa painekuumennusta, kiinteä jää muuntuu suoraan vesihöyryksi kulkematta nesteen läpi; Tätä prosessia kutsutaan sublimaatioksi.

Tämän vähimmäispaineen (P _tp) yli, jää sulaa ensin nestemäiseksi vedeksi ja vain siinä se haihtuu tai kiehuu höyryn muodostuessa.

Monien aineiden lämpötila-arvo kolminkertaisessa pisteessä on minimilämpötila, jossa nestemäinen faasi voi esiintyä, mutta tätä ei tapahdu veden tapauksessa. Vesille sitä ei tapahdu, koska jään sulamispiste laskee paineen funktiona, kuten edellisessä kuvassa näkyvä vihreä pisteviiva osoittaa.

Korkean paineen vaiheissa vedellä on melko monimutkainen vaihekaavio, jossa esitetään viisitoista tunnettua jääfaasia (eri lämpötiloissa ja paineissa) kymmenen eri kolmen pisteen lisäksi, jotka esitetään seuraavassa kuvassa:

Voidaan huomata, että korkeapaineolosuhteissa jään voi olla tasapainossa nesteen kanssa; kaavio osoittaa, että sulamispisteet kasvavat paineen kanssa. Jatkuvasti alhaisissa lämpötiloissa ja kasvavassa paineessa höyry voi muuttua suoraan jäänä kulkematta nestefaasin läpi.

Tässä kaaviossa esitetään myös erilaiset olosuhteet, jotka esiintyvät planeetoilla, joilla kolmipistettä on tutkittu (maa merenpinnan tasolla ja Marsin päiväntasaajan vyöhykkeellä).

Kaavio tekee selväksi, että kolmipiste vaihtelee sijainnista riippuen ilmakehän paineen ja lämpötilan vuoksi, ei pelkästään kokeilijan puuttumisen vuoksi.

Sykloheksaanin kolmipiste

Sykloheksaani on sykloalkaani, joka on molekyylikaava C ₆ H ₁₂. Tällä aineella on erityispiirre, että sillä on kolmipisteolosuhteet, jotka voidaan tuottaa helposti, kuten veden tapauksessa, koska tämä kohta sijaitsee 279,47 K lämpötilassa ja 5,388 kPa: n paineessa.

Näissä olosuhteissa yhdisteen on havaittu kiehuvan, kiinteytyvän ja sulavan minimaalisin lämpötilan ja paineen muutoksin.

Kolme pistettä bentseeniä

Sykloheksaanin kaltaisessa tapauksessa bentseenillä (orgaanisella yhdisteellä, jolla on kemiallinen kaava C ₆ H ₆) on kolmipisteolosuhteet, jotka ovat helposti toistettavissa laboratoriossa.

Sen arvot ovat 278,5 K ja 4,83 kPa, joten myös tämän komponentin kokeilu aloittelijan tasolla on yleistä.

Viitteet

1. Wikipedia. (SF). Wikipedia. Haettu osoitteesta en.wikipedia.org
2. Britannica, E. (1998). Encyclopedia Britannica. Haettu osoitteesta britannica.com
3. Power, N. (sf). Ydinvoima. Haettu ydinvoima.netistä
4. Wagner, W., Saul, A., ja Prub, A. (1992). Kansainvälisen paineen yhtälöt tavallisen veden sulamis- ja sublimaatiokäyrää pitkin. Bochum.
5. Penoncello, SG, Jacobsen, RT, ja Goodwin, AR (1995). Termodynaaminen ominaisuusmuoto sykloheksaanille.