Sūrus vandens fazinės būsenos tankio diagrama. Vandens būsenos diagrama ir fazių taisyklė. Vandens fazių diagrama

Gibso fazės taisyklės taikymas vieno komponento sistemoms. Vandens ir sieros būsenos diagramos

Vienkomponentei sistemai KAM=1, o fazės taisyklė parašyta taip:

C = 3– F

Jeigu F= 1, tada SU=2 , jie sako, kad sistema dvivariantas;
F= 2, tada SU=1 , sistema monovariantas;
F= 3, tada SU = 0, sistema nekintamas.

Ryšys tarp slėgio ( R), temperatūra ( T) ir tūris ( V) fazės gali būti pavaizduotos kaip trimatės fazių diagrama. Kiekvienas taškas (vadinamas vaizdinis taškas) tokioje diagramoje pavaizduota tam tikra pusiausvyros būsena. Paprastai su šios diagramos atkarpomis patogiau dirbti plokštuma R-T(at V = konst) arba lėktuvas P-V(at T = konst). Toliau nagrinėsime tik atkarpą plokštuma R-T(at V = konst).

Vandens būklė buvo tiriama esant įvairiems temperatūrų ir slėgio diapazonams. Esant aukštam slėgiui, nustatyta, kad egzistuoja mažiausiai dešimt kristalinių ledo modifikacijų. Labiausiai ištirtas yra ledas I – vienintelė gamtoje randama ledo modifikacija.

Įvairių medžiagos modifikacijų buvimas - polimorfizmas lemia būsenų diagramų komplikaciją.

Vandens fazių diagrama koordinatėmis R-T parodyta 15 pav. Jį sudaro 3 fazių laukai- įvairios sritys R, T- vertės, kuriose vanduo egzistuoja tam tikros fazės pavidalu - ledas, skystas vanduo arba garai (paveiksle pažymėtos atitinkamai L, W ir P raidėmis). Šie fazių laukai yra atskirti 3 ribinėmis kreivėmis.

Kreivė AB – garavimo kreivė, išreiškia priklausomybę skysto vandens garų slėgis pagal temperatūrą(arba, atvirkščiai, reiškia vandens virimo temperatūros priklausomybę nuo išorinio slėgio). Kitaip tariant, ši linija atitinka dviejų fazių pusiausvyrą.

Skystas vanduo ↔ garai, o iš fazės taisyklės apskaičiuotas laisvės laipsnių skaičius yra SU= 3 – 2 = 1. Tokia pusiausvyra vadinama monovariantas. Tai reiškia, kad norint išsamiai aprašyti sistemą, pakanka tik apibrėžti vienas kintamasis- arba temperatūra, arba slėgis, nes tam tikrai temperatūrai yra tik vienas pusiausvyros slėgis, o tam tikram slėgiui - tik viena pusiausvyros temperatūra.

Esant slėgiui ir temperatūrai, atitinkantiems taškus, esančius žemiau linijos AB, skystis visiškai išgaruos, o ši sritis yra garų sritis. Norint aprašyti sistemą tam tikroje vienfazėje srityje, reikalingi du nepriklausomi kintamieji: temperatūra ir slėgis ( SU = 3 – 1 = 2).

Esant slėgiui ir temperatūrai, atitinkantiems taškus virš linijos AB, garai visiškai kondensuojasi į skystį ( SU= 2). Viršutinė AB garavimo kreivės riba yra taške B, kuris vadinamas kritiniu tašku (vandeniui 374,2ºС ir 218,5). atm.). Virš šios temperatūros skysčio ir garų fazės tampa nebeatskiriamos (skysčio/garų sąsaja išnyksta), todėl F = 1.

AC linija – ši ledo sublimacijos kreivė (kartais vadinama sublimacijos linija), atspindinti priklausomybę vandens garų slėgis virš ledo temperatūros. Ši linija atitinka monovariantą pusiausvyros ledo ↔ garus ( SU= 1). Virš kintamosios srovės linijos yra ledo sritis, žemiau garų srities.

AD linija – lydymosi kreivė, išreiškia priklausomybę ledo lydymosi temperatūra esant slėgiui ir atitinka monovariantą pusiausvyros ledo ↔ skysto vandens. Daugumai medžiagų linija AD nukrypsta nuo vertikalės į dešinę, tačiau vandens elgesys yra nenormalus: skystas vanduo užima mažesnį tūrį nei ledas. Padidėjęs slėgis sukels pusiausvyros poslinkį skysčio susidarymo link, ty sumažės užšalimo temperatūra.

Bridgmano atlikti tyrimai, skirti nustatyti ledo tirpimo kreivės eigą esant aukštam slėgiui, parodė, kad visos esamos kristalinės ledo modifikacijos, išskyrus pirmąją, yra tankesnės už vandenį. Taigi viršutinė AD linijos riba yra taškas D, kuriame pusiausvyroje sugyvena ledas I (paprastas ledas), ledas III ir skystas vanduo. Šis taškas yra -22ºС ir 2450 atm.

Ryžiai. 15. Vandens fazių diagrama

Vandens pavyzdys rodo, kad fazių diagrama ne visada turi tokį paprastą pobūdį, kaip parodyta 15 pav. Vanduo gali egzistuoti kelių kietų fazių pavidalu, kurios skiriasi savo kristaline struktūra (žr. 16 pav.).

Ryžiai. 16. Išplėstinė vandens fazių diagrama įvairiuose slėgio dydžių diapazonuose.

Trigubas vandens taškas (taškas, atspindintis trijų fazių – skysčio, ledo ir garų – pusiausvyrą), kai nėra oro, yra 0,01ºС. T = 273,16K) ir 4.58 mmHg. Laisvės laipsnių skaičius SU= 3-3 = 0 ir tokia pusiausvyra vadinama nekintama.

Esant orui, trys fazės yra subalansuotos ties 1 atm. ir 0ºС ( T = 273,15K). Trigubo taško ore sumažėjimą lemia šios priežastys:

1. Oro tirpumas skystame vandenyje esant 1 atm, dėl ko trigubas taškas sumažėja 0,0024ºС;

2. Didėjantis slėgis nuo 4,58 mmHg. iki 1 atm, kuris sumažina trigubą tašką dar 0,0075ºС.

Vandens būsenos.

Vanduo gali būti trijų agregacijos būsenų, arba fazių – kietas (ledas), skystas (pats vanduo), dujinis (garai). Labai svarbu, kad esant atmosferos slėgio ir temperatūros diapazonams, kurie iš tikrųjų egzistuoja Žemėje, vanduo vienu metu gali būti skirtingos agregacijos būsenos. Šiuo požiūriu vanduo labai skiriasi nuo kitų fizinių medžiagų, kurios natūraliomis sąlygomis daugiausia yra kietos (mineralai, metalai) arba dujinės (O 2, N 2, CO 2 ir kt.) būsenos.

Agreguotos medžiagos būsenos pokyčiai vadinami faziniais perėjimais. Tokiais atvejais medžiagos savybės (pavyzdžiui, tankis) staigiai pasikeičia. Fazių perėjimus lydi energijos išsiskyrimas arba įsisavinimas, vadinamas fazinio virsmo šiluma („latentinė šiluma“).

Vandens agregacijos būsenos priklausomybė nuo slėgio ir temperatūros išreiškiama vandens būsenos diagrama, arba fazių diagrama (5.1.1 pav.).

Kreivė BB "O 5.1.1 pav. vadinama lydymosi kreive. Einant per šią kreivę iš kairės į dešinę, vyksta lydymasis

Ryžiai. 5.1.1. Vandens būklės diagrama

I - VIII - įvairios ledo modifikacijos

ledas, o iš dešinės į kairę – ledo susidarymas (vandens kristalizacija). OK kreivė vadinama garinimo kreive. Einant per šią kreivę, vanduo užverda iš kairės į dešinę, o vandens garai kondensuojasi iš dešinės į kairę. AO kreivė vadinama sublimacijos kreive arba sublimacijos kreive. Ją kertant iš kairės į dešinę, vyksta ledo garavimas (sublimacija), o iš dešinės į kairę – kondensacija į kietą fazę (arba sublimacija).

Taške O (vadinamasis trigubas taškas, esant 610 Pa slėgiui ir 0,01 ° C arba 273,16 K temperatūrai) vanduo vienu metu yra visose trijose agregacijos būsenose.

Temperatūra, kurioje tirpsta ledas (arba kristalizuojasi vanduo), vadinama temperatūra arba lydymosi tašku T pl. Ši temperatūra taip pat gali būti vadinama temperatūra arba užšalimo tašku T dep.

Nuo vandens paviršiaus, taip pat ledo ir sniego, tam tikras skaičius molekulių nuolat nuplėšiamas ir išnešamas į orą, sudarydamos vandens garų molekules. Tuo pačiu metu dalis vandens garų molekulių grįžta į vandens, sniego ir ledo paviršių. Jei vyrauja pirmasis procesas, tada vanduo išgaruoja, jei antrasis - vandens garų kondensacija. Šių procesų krypties ir intensyvumo reguliatorius yra drėgmės deficitas – skirtumas tarp vandens garų, prisotinančių erdvę esant tam tikram oro slėgiui ir vandens paviršiaus temperatūrai (sniegas, ledas), elastingumo ir vandens garų elastingumo. vandens garų, faktiškai esančių ore, t.y. absoliuti oro drėgmė. Sočiųjų vandens garų kiekis ore ir jo elastingumas didėja didėjant temperatūrai (esant normaliam slėgiui) taip. Esant 0°C temperatūrai, sočiųjų vandens garų kiekis ir elastingumas yra atitinkamai 4,856 g/m3 ir 6,1078 hPa, esant 20°C temperatūrai - 30,380 g/m3 ir 23,373 hPa, esant 40°C - 51,127 g. /m3 ir 73,777 hPa.

Garavimas nuo vandens paviršiaus (ledo, sniego), taip pat drėgnos dirvos vyksta esant bet kokiai temperatūrai ir yra intensyvesnis, tuo didesnis drėgmės deficitas. Kylant temperatūrai, didėja erdvę prisotinančių vandens garų elastingumas, greitėja garavimas. Padidėjus oro judėjimo garuojančiu paviršiumi greičiui (t.y. vėjo greičiui natūraliomis sąlygomis) taip pat didėja garavimas, o tai padidina vertikalios masės ir šilumos perdavimo intensyvumą.

Kai intensyvus garavimas apima ne tik laisvą vandens paviršių, bet ir jo storį, kur garavimas vyksta iš vidinio tokiu atveju susidariusių burbuliukų paviršiaus, prasideda virimo procesas. Temperatūra, kurioje sočiųjų vandens garų slėgis yra lygus išoriniam slėgiui, vadinama temperatūra arba virimo tašku T bale.

Esant normaliam atmosferos slėgiui (1,013 105 Pa \u003d 1,013 bar \u003d 1 atm \u003d 760 mm Hg), vandens užšalimo (ledo tirpimo) ir virimo (kondensacijos) taškai atitinka 0 ir 100 ° C.

Užšalimo temperatūra T deputatas ir vandens T virimo temperatūra priklauso nuo slėgio (žr. 3.9.2 pav.). Slėgio diapazone nuo 610 iki 1,013 105 Pa (arba 1 atm) užšalimo temperatūra šiek tiek nukrenta (nuo 0,01 iki 0 ° C), tada, kai slėgis pakyla iki maždaug 6 107 Pa (600 atm), T zap sumažėja iki - 5 ° C, slėgiui padidėjus iki 2,2 108 Pa (2200 atm), T pavaduotojas sumažėja iki -22 ° C. Toliau didėjant slėgiui, T pavaduotojas pradeda sparčiai didėti. Esant labai aukštam slėgiui, susidaro specialios ledo „modifikacijos“ (II-VIII), kurios savo savybėmis skiriasi nuo paprasto ledo (ledo I).

Esant faktiniam atmosferos slėgiui Žemėje, gėlas vanduo užšąla, kai temperatūra yra apie 0° C. Didžiausiame vandenyno gylyje (apie 11 km) slėgis viršija 108 Pa, arba 1000 atm (gylis didėja kas 10 m. padidina slėgį apie 105 Pa arba 1 atm). Esant tokiam slėgiui, gėlo vandens užšalimo temperatūra būtų apie -12°C.

Norėdami sumažinti vandens užšalimo temperatūrą

įtakos turi jo druskingumas.

1.4). Druskingumo padidėjimas kas 10‰ sumažina T deputaciją maždaug 0,54 ° C:

T pavaduotojas \u003d -0,054 S.

Virimo temperatūra mažėja mažėjant slėgiui (žr. 3.9.2 pav.). Todėl dideliame kalnų aukštyje vanduo užverda žemesnėje nei 100 ° C temperatūroje. Didėjant slėgiui, T virimas padidėja iki vadinamojo „kritinio taško“, kai esant p = 2,2 107 Pa ir T verda = 374 ° C, vanduo vienu metu turi ir skysčio, ir dujų savybių.

Vandens būklės diagrama iliustruoja dvi vandens „anomalijas“, kurios turi lemiamos įtakos ne tik vandens „elgesiui“ Žemėje, bet ir natūralioms visos planetos sąlygoms. Palyginti su medžiagomis, kurios yra vandenilio junginiai su elementais, kurie yra vienoje eilėje su deguonimi periodinėje lentelėje - telūru Te, selenu Se ir siera S, vandens užšalimo ir virimo temperatūra yra neįprastai aukšta. Atsižvelgiant į įprastą užšalimo ir virimo temperatūrų santykį su minėtų medžiagų masės skaičiumi, galima tikėtis, kad vandens užšalimo temperatūra bus apie –90 °C, o virimo temperatūra – apie –70 °C. Neįprastai aukštos vertės ​užšalimo ir virimo temperatūros iš anksto nulemia vandens egzistavimo planetoje galimybę kietoje ir skystoje būsenoje ir yra lemiamos sąlygos pagrindiniams hidrologiniams ir kitiems natūraliems procesams Žemėje.

Vandens tankis

Tankis yra svarbiausia bet kurios medžiagos fizinė charakteristika. Tai vienalytės medžiagos masė jos tūrio vienetui:

kur m yra masė, V yra tūris. Tankis p yra kg/m 3 .

Vandens, kaip ir kitų medžiagų, tankis visų pirma priklauso nuo temperatūros ir slėgio (o natūraliems vandenims – ir nuo ištirpusių bei smulkiai disperguotų suspenduotų medžiagų kiekio) ir staigiai kinta vykstant faziniams virsmams.. Kylant temperatūrai, vandens tankis, t. kaip ir bet kuri kita medžiaga, daugumoje temperatūros diapazono mažėja, o tai susiję su atstumo tarp molekulių padidėjimu didėjant temperatūrai. Šis modelis pažeidžiamas tik tirpstant ledui ir kai vanduo kaitinamas nuo 0 iki 4 ° (tiksliau, 3,98 ° C). Čia pažymimos dar dvi labai svarbios vandens „anatomijos“: 1) vandens tankis kietoje būsenoje (lede) yra mažesnis nei skysto (vandens), o tai nėra būdinga didžiajai daugumai kitų medžiagų; 2) vandens temperatūros diapazone nuo 0 iki 4 ° C vandens tankis didėjant temperatūrai ne mažėja, o didėja. Vandens tankio kitimo ypatybės yra susijusios su vandens molekulinės struktūros persitvarkymu. Šios dvi vandens „anomalijos“ turi didelę hidrologinę reikšmę: ledas yra lengvesnis už vandenį, todėl „plaukioja“ jo paviršiuje; rezervuarai paprastai neužšąla iki dugno, nes gėlas vanduo, atvėsintas iki žemesnės nei 4 ° temperatūros, tampa mažiau tankus ir todėl lieka paviršiniame sluoksnyje.

Ledo tankis priklauso nuo jo struktūros ir temperatūros. Akytojo ledo tankis gali būti daug mažesnis nei nurodytas 1.1 lentelėje. Dar mažesnis sniego tankis. Šviežiai kritusio sniego tankis yra 80-140 kg / m 3, supakuoto sniego tankis palaipsniui didėja nuo 140-300 (prieš tirpstant) iki 240-350 (tirpimo pradžioje) ir 300-450 kg / m3 (esant lydymosi pabaiga). Tankaus šlapio sniego tankis gali siekti iki 600-700 kg/m 3 . Snaigių tankis tirpimo metu yra 400–600, sniego lavinos - 500–650 kg / m 3. Vandens sluoksnis, susidarantis tirpstant ledui ir sniegui, priklauso nuo ledo ar sniego sluoksnio storio ir jų tankio. Vandens kaupimas lede ar sniege yra:

h in = ah l r l / r

čia h l – ledo arba sniego sluoksnio storis, p l – jų tankis, p – vandens tankis ir yra koeficientas, nustatomas pagal matmenų h in ir h l santykį: jei vandens sluoksnis išreiškiamas mm, o ledo (sniego) storis cm, tada a=10, to paties matmens a=1.

Vandens tankis taip pat kinta priklausomai nuo jame ištirpusių medžiagų kiekio ir didėja didėjant druskingumui (1.5 pav.). Jūros vandens tankis esant normaliam slėgiui gali siekti 1025-1033 kg/m 3 .

Bendras temperatūros ir druskingumo poveikis vandens tankiui esant atmosferos slėgiui išreiškiamas naudojant vadinamąją jūros vandens būsenos lygtį. Tokia lygtis paprasčiausia tiesine forma parašyta taip:

p \u003d p o (1 - α 1 T + α 2 S)

kur T - vandens temperatūra, ° С, S - vandens druskingumas, ‰, p o - vandens tankis esant T \u003d 0 ir S \u003d 0, α 1 ir α 2 - parametrai.

Padidėjęs druskingumas taip pat lemia didžiausio tankio (°C) temperatūros sumažėjimą pagal formulę

T max.pl \u003d 4 - 0,215 S.

Ryžiai. 5.2.1. Vandens tankio, esant normaliam atmosferos slėgiui, priklausomybė nuo vandens temperatūros ir druskingumo.

Druskingumo padidėjimas kas 10‰ sumažina Tmax maždaug 2° C. Didžiausio tankio temperatūros ir užšalimo taško priklausomybę nuo vandens druskingumo iliustruoja vadinamasis Helland-Hansen grafikas (žr. 3.10.1 pav.).

Ryšys tarp didžiausio tankio temperatūrų ir užšalimo įtakoja vandens aušinimo ir vertikalios konvekcijos – maišymosi dėl tankio skirtumų – proceso pobūdį. Vandens aušinimas dėl šilumos mainų su oru padidina vandens tankį ir atitinkamai sumažina tankesnio vandens kiekį. Jo vietoje kyla šiltesni ir ne tokie tankūs vandenys. Vyksta vertikalaus tankio konvekcijos procesas. Tačiau gėluose ir sūriuose vandenyse, kurių druskingumas mažesnis nei 24,7‰, toks procesas tęsiasi tik tol, kol vanduo pasiekia didžiausio tankio temperatūrą (žr. 1.4 pav.). Tolesnis vandens aušinimas sumažina jo tankį, o vertikali konvekcija sustoja. Sūrūs vandenys, kurių S>24,7‰, veikia vertikaliai konvekcijai iki jų užšalimo momento.

Taigi gėluose ar sūriuose vandenyse žiemą dugno vandens temperatūra yra aukštesnė nei paviršiuje, o pagal Helland-Hansen sklypą ji visada yra aukštesnė už užšalimą. Ši aplinkybė turi didelę reikšmę gyvybės išsaugojimui vandens telkiniuose gelmėse. Jei didžiausio tankio vandens ir užšalimo temperatūros sutaptų, kaip ir visų kitų skysčių, rezervuarai galėtų užšalti iki dugno, sukeldami neišvengiamą daugumos organizmų mirtį.

„Nenormalus“ vandens tankio pokytis, pasikeitus temperatūrai, reiškia tą patį „anomalų“ vandens tūrio pokytį: temperatūrai pakilus nuo 0 iki 4 ° C, chemiškai gryno vandens tūris mažėja ir tik toliau didėjant temperatūrai, ji didėja; ledo tūris visada yra pastebimai didesnis nei tos pačios masės vandens tūris (prisiminkime, kaip plyšta vamzdžiai, kai vanduo užšąla).

Vandens tūrio pokytis pasikeitus jo temperatūrai gali būti išreikštas formule

V T1 = V T2 (1 + βDT)

kur V T1 yra vandens tūris esant T1 temperatūrai, V T2 yra vandens tūris esant T2, β yra tūrinis plėtimosi koeficientas, kuris įgauna neigiamas vertes esant temperatūrai nuo 0 iki 4 ° C ir teigiamas reikšmes. esant aukštesnei nei 4 °C ir žemesnei nei 0 °C vandens temperatūrai (ledas) (žr. 1.1 lentelę),

Slėgis taip pat turi tam tikrą įtaką vandens tankiui. Vandens suspaudžiamumas yra labai mažas, tačiau dideliame vandenyno gylyje jis vis tiek daro įtaką vandens tankiui. Kiekvienam 1000 m gylio tankis dėl vandens stulpelio slėgio įtakos padidėja 4,5-4,9 kg/m 3 . Todėl didžiausiame vandenyno gylyje (apie 11 km) vandens tankis bus maždaug 48 kg/m 3 didesnis nei paviršiuje, o esant S = 35‰ – apie 1076 kg/m 3 . Jei vanduo būtų visiškai nesuspaudžiamas, Pasaulio vandenyno lygis būtų 30 m aukštesnis nei yra iš tikrųjų. Mažas vandens suspaudžiamumas leidžia žymiai supaprastinti natūralių vandenų judėjimo hidrodinaminę analizę.

Mažų suspenduotų nuosėdų įtaka fizinėms vandens savybėms ir ypač jo tankiui dar nėra pakankamai ištirta. Manoma, kad tik labai mažos suspensijos gali turėti įtakos vandens tankiui, kai jų ypač didelė koncentracija, kai vanduo ir nuosėdos nebegali būti vertinami atskirai. Taigi, kai kurių tipų purvo srautai, kuriuose yra tik 20–30% vandens, iš esmės yra molio tirpalas, kurio tankis yra padidėjęs. Kitas smulkių nuosėdų įtakos tankiui pavyzdys yra Huang He vandenys, įtekantys į Geltonosios jūros įlanką. Su labai dideliu smulkių nuosėdų kiekiu (iki 220 kg / m 3) upių dumblinų vandenų tankis yra 2–2,5 kg / m 3 didesnis nei jūros vandens (jų tankis faktiniame druskingumo ir temperatūros sąlygomis yra apie 1018 kg / m3). 3). Todėl jie „neria“ į gylį ir leidžiasi žemyn jūros dugnu, suformuodami „tankų“ arba „drumsto“ upelį.

O čia jau galima pereiti į antrą kategoriją. po žodžiu "ledas" mes įpratę suprasti kietosios fazės vandens būseną. Tačiau be to, kitos medžiagos taip pat yra užšaldomos. Taigi ledą galima atskirti pagal pradinės medžiagos cheminę sudėtį, pavyzdžiui, anglies dioksidą, amoniaką, metano ledą ir kt.

Trečia, yra vandens ledo kristalinės gardelės (modifikacijos), kurios susidaro dėl termodinaminio faktoriaus. Apie tai mes šiek tiek pakalbėsime šiame įraše.

Straipsnyje Ledas aptarėme, kaip keičiasi vandens struktūra, pasikeitus jo agregacijos būklei, ir palietėme įprasto ledo kristalinę struktūrą. Dėl pačios vandens molekulės vidinės struktūros ir vandenilinių ryšių, jungiančių visas molekules į tvarkingą sistemą, susidaro šešiakampė (šešiakampė) ledo kristalinė gardelė. Arčiausiai viena kitos esančios molekulės (vienas centrinis ir keturi kampai) yra išdėstytos trikampės piramidės arba tetraedro pavidalu, kuris yra šešiakampės kristalo modifikacijos pagrindas. serga.1).

Beje, atstumas tarp mažiausių materijos dalelių matuojamas nanometrais (nm) arba angstromais (pavadintas XIX a. švedų fiziko Anderso Jono Angströmo vardu; žymimas simboliu Å). 1 Å = 0,1 nm = 10–10 m.

Tokia šešiakampė paprasto ledo struktūra tęsiasi iki viso jo tūrio. Tai aiškiai matote plika akimi: žiemą, sningant, užfiksuokite snaigę ant drabužių rankovės ar pirštinės ir atidžiau pažiūrėkite į jos formą – ji yra šešių spindulių arba šešiakampė. Tai būdinga kiekvienai snaigei, tačiau tuo pat metu nė viena snaigė nepasikartoja kitos (daugiau apie tai mūsų straipsnyje). Ir net dideli ledo kristalai savo išorine forma atitinka vidinę molekulinę struktūrą ( serga.2).

Jau sakėme, kad medžiagos, ypač vandens, perėjimas iš vienos būsenos į kitą vyksta tam tikromis sąlygomis. Įprastas ledas susidaro esant 0°C ir žemesnei temperatūrai bei 1 atmosferos slėgiui (normali vertė). Vadinasi, norint atsirasti kitų ledo modifikacijų, reikia pakeisti šias vertes, o daugeliu atvejų – žemos temperatūros ir aukšto slėgio, kai pasikeičia vandenilio jungčių kampas ir atkuriama visa kristalinė gardelė. .

Kiekviena ledo modifikacija priklauso tam tikrai singonijai – kristalų grupei, kurioje elementarios ląstelės turi vienodą simetriją ir koordinačių sistemą (XYZ ašys). Iš viso išskiriamos septynios singonijos. Pateikiamos kiekvienos iš jų savybės 3-4 iliustracijos. Ir tik žemiau yra pagrindinių kristalų formų vaizdas ( serga.5)

Visos ledo modifikacijos, kurios skiriasi nuo paprasto ledo, buvo gautos laboratorinėmis sąlygomis. Pirmosios polimorfinės ledo struktūros mokslininkų pastangomis tapo žinomos XX amžiaus pradžioje. Gustavas Heinrichas Tammannas Ir Percy Bridgman (Percy Williams Bridgman). Bridgmano sudaryta modifikacijų diagrama buvo periodiškai papildoma. Buvo nustatytos naujos modifikacijos iš anksčiau gautų. Mūsų laikais buvo atlikti naujausi diagramos pakeitimai. Iki šiol buvo gauta šešiolika kristalinių ledo rūšių. Kiekvienas tipas turi savo pavadinimą ir yra pažymėtas romėnišku skaitmeniu.

Mes nesigilinsime į kiekvieno molekulinio vandens ledo tipo fizines savybes, kad jūsų, mieli skaitytojai, nenuobodžiautume mokslinėmis detalėmis, atkreipsime dėmesį tik į pagrindinius parametrus.

Paprastas ledas vadinamas ledu Ih (priešdėlis „h“ reiškia šešiakampę singoniją). Įjungta iliustracijos 7 pateikiama jo kristalinė struktūra, susidedanti iš šešiakampių ryšių (heksamerų), kurie skiriasi forma - viena forma gultuose(Anglų) kėdė-forma), kitas formoje rooks (valties forma). Šie heksamerai sudaro trimatę sekciją – du „šezlongai“ yra horizontaliai viršuje ir apačioje, o trys „staigai“ – vertikaliai.

Erdvinėje diagramoje parodyta ledo vandenilio jungčių išsidėstymo tvarka Ih, tačiau iš tikrųjų ryšiai kuriami atsitiktinai. Tačiau mokslininkai neatmeta galimybės, kad vandenilio ryšiai šešiakampio ledo paviršiuje yra labiau tvarkingi nei struktūros viduje.

Elementarioji šešiakampio ledo ląstelė (ty minimalus kristalo tūris, kurio pakartotinis atkūrimas trimis matmenimis sudaro visą kristalinę gardelę) apima 4 vandens molekules. Ląstelių matmenys yra 4,51Å Iš abiejų pusių a, b Ir 7,35Å pusėje c (schemose šonas arba ašis c turi vertikalią kryptį). Kampai tarp šonų, žiūrint iš 4 iliustracija: α=β = 90°, γ = 120°. Atstumas tarp gretimų molekulių yra 2,76Å.

Šešiakampiai ledo kristalai sudaro šešiakampes plokštes ir kolonas; viršutinis ir apatinis paviršiai juose yra pagrindinės plokštumos, o šeši identiški šoniniai paviršiai vadinami prizminiais ( serga.10).

Mažiausias vandens molekulių skaičius, reikalingas jo kristalizacijai pradėti, yra apie 275 (± 25). Daugeliu atvejų ledas susidaro vandens masės paviršiuje, esančiame šalia oro, o ne jo viduje. stambūs ledo kristalai Ih formuojasi lėtai c ašies kryptimi, pavyzdžiui, stovinčiame vandenyje auga vertikaliai žemyn nuo lamelių arba tokiomis sąlygomis, kai sunku augti į šoną. Smulkiagrūdis ledas, susidaręs audringame vandenyje arba jam greitai užšalus, sparčiai auga iš prizminių paviršių. Aplinkinio vandens temperatūra lemia ledo kristalinės gardelės šakojimosi laipsnį.

Vandenyje ištirpusių medžiagų dalelės, išskyrus helio ir vandenilio atomus, kurių dydžiai leidžia tilpti į struktūros ertmes, esant normaliam atmosferos slėgiui, pašalinamos iš kristalinės gardelės, išstumiamos į kristalo paviršių arba , kaip ir amorfinės veislės atveju (daugiau apie tai vėliau straipsnyje), sudarančios sluoksnius tarp mikrokristalų. Nuosekliais užšaldymo-atšildymo ciklais galima išvalyti vandenį nuo priemaišų, tokių kaip dujos (degazavimas).

Kartu su ledu Ih yra ir ledo ic (kubinė sistema), tačiau gamtoje tokio tipo ledo susidarymas kartais įmanomas tik viršutiniuose atmosferos sluoksniuose. Dirbtinis ledas ic gaunamas akimirksniu užšaldant vandenį, kuriam garai kondensuojami ant atšaldyto nuo minuso 80 iki minuso 110°С metalinis paviršius esant normaliam atmosferos slėgiui. Dėl eksperimento kubinės formos arba oktaedrų pavidalo kristalai iškrenta ant paviršiaus. Pirmosios modifikacijos kubinį ledą nepavyks sukurti iš paprasto šešiakampio ledo, sumažinant jo temperatūrą, tačiau perėjimas nuo kubinio į šešiakampį įmanomas kaitinant ledą. ic virš minuso 80°С.

Ledo molekulinėje struktūroje ic vandenilinių ryšių kampas yra toks pat kaip ir paprasto ledo Ih - 109,5°. Tačiau šešiakampis žiedas, kurį sudaro ledo gardelės molekulės ic yra tik saulės gulto pavidalu.

Ledo tankis Ic yra 0,92 g/cm³ esant 1 atm slėgiui. Vienetinė ląstelė kubiniame kristale turi 8 molekules ir matmenis: a=b=c = 6,35 Å, o jos kampai α=β=γ = 90°.

Ant užrašo. Mieli skaitytojai, šiame straipsnyje ne kartą susidursime su vienos ar kitos ledo rūšies temperatūros ir slėgio indikatoriais. Ir jei temperatūros reikšmės, išreikštos Celsijaus laipsniais, yra aiškios visiems, tada kam nors gali būti sunku suvokti slėgio vertes. Fizikoje jai matuoti naudojami įvairūs vienetai, tačiau mūsų straipsnyje mes jį žymėsime atmosferomis (atm), suapvalindami reikšmes. Normalus atmosferos slėgis yra 1 atm, tai yra 760 mmHg arba šiek tiek daugiau nei 1 baras arba 0,1 MPa (megapaskalis).

Kaip supratote, ypač iš pavyzdžio su ledu ic, ledo kristalinių modifikacijų egzistavimas galimas termodinaminės pusiausvyros sąlygomis, t.y. jei sutrinka temperatūros ir slėgio pusiausvyra, lemianti kokio nors kristalinio ledo tipo buvimą, šis tipas išnyksta, pereinant į kitą modifikaciją. Šių termodinaminių verčių diapazonas yra skirtingas, kiekvienai rūšiai jis skiriasi. Panagrinėkime kitas ledo rūšis ne griežtai pagal nomenklatūrinę tvarką, bet atsižvelgiant į šiuos struktūrinius perėjimus.

Ledas II priklauso trigonalinei singonijai. Jis gali būti suformuotas iš šešiakampio tipo, esant maždaug 3000 atm slėgiui ir maždaug minus 75 °C temperatūrai, arba iš kitos modifikacijos ( ledas V), smarkiai sumažėjus slėgiui esant minus 35°C temperatūrai. Egzistavimas II ledo tipas galimas esant minus 170°C temperatūrai ir slėgiui nuo 1 iki 50 000 atm (arba 5 gigapaskaliams (GPa)). Pasak mokslininkų, tokios modifikacijos ledas greičiausiai gali būti ledinių tolimų Saulės sistemos planetų palydovų dalis. Normalus atmosferos slėgis ir aukštesnė nei minus 113°C temperatūra sudaro sąlygas tokio tipo ledui pereiti prie įprasto šešiakampio ledo.

Įjungta iliustracijos 13 rodo ledo kristalinę gardelę II. Matomas būdingas struktūros bruožas – savotiški tuščiaviduriai šešiakampiai kanalai, suformuoti molekulinėmis jungtimis. Elementarioji ląstelė (sritis, paryškinta iliustracijoje rombu) susideda iš dviejų ryšulių, kurie yra pasislinkę vienas kito atžvilgiu, santykinai tariant, „išilgai aukščio“. Dėl to susidaro romboedrinė gardelių sistema. Ląstelių dydžiai a=b=c = 7,78 Å; α=β=γ = 113,1°. Ląstelėje yra 12 molekulių. Ryšio kampas tarp molekulių (О–О–О) svyruoja nuo 80 iki 120°.

Kaitinant II modifikaciją, galite gauti ledo III, ir atvirkščiai, aušinimas ledu III paverčia jį ledu II. Taip pat ledas III Jis susidaro, kai vandens temperatūra palaipsniui mažinama iki minus 23 ° C, padidinant slėgį iki 3000 atm.
Kaip matyti fazių diagramoje ( nesveikas. 6), termodinamines sąlygas stabiliam ledo būviui III, taip pat dar viena modifikacija – ledas V, yra maži.

Ledas III Ir V turi keturis trigubus taškus su aplinkinėmis modifikacijomis (termodinamines vertes, kuriomis gali egzistuoti skirtingos medžiagos būsenos). Tačiau ledas II, III Ir V modifikacijos gali egzistuoti esant normaliam atmosferos slėgiui ir minus 170°C temperatūrai, o jas pakaitinus iki minus 150°C, susidaro ledas. ic.

Palyginti su kitomis šiuo metu žinomomis aukšto slėgio modifikacijomis, ledas III turi mažiausią tankį – esant 3500 atm slėgiui. jis lygus 1,16 g/cm³.
Ledas III yra tetragoninė kristalizuoto vandens atmaina, bet pati ledo gardelės struktūra III turi pažeidimų. Jei paprastai kiekviena molekulė yra apsupta 4 gretimų, tai šiuo atveju šio rodiklio reikšmė bus 3,2, be to, šalia gali būti dar 2 ar 3 molekulės, kurios neturi vandenilio jungčių.
Erdvinėje konstrukcijoje molekulės sudaro dešiniąsias sraigtas.
Vienetinės ląstelės matmenys su 12 molekulių minus 23°C temperatūroje ir apie 2800 atm: a=b = 6,66, c = 6,93 Å; α=β=γ=90°. Vandenilinių jungčių kampas yra nuo 87 iki 141°.

Įjungta iliustracijos 15 sutartinai pateikiama erdvinė ledo molekulinės sandaros schema III. Molekulės (mėlyni taškai), esančios arčiau žiūrovo, rodomos didesnės, o vandenilio ryšiai (raudonos linijos) yra atitinkamai storesni.

O dabar, kaip sakoma, persekiojant, iškart „peršokime“ ateinančius po ledo III nomenklatūros tvarka, kristalinės modifikacijos ir tarti keletą žodžių apie ledą IX.
Šio tipo ledas iš tikrųjų yra modifikuotas ledas. III, greitai giliai atšaldomas nuo minus 65 iki minus 108 °C, kad būtų išvengta virsmo ledu II. Ledas IX išlieka stabilus esant žemesnei nei 133°C temperatūrai ir slėgiui nuo 2000 iki 4000 atm. Jo tankis ir struktūra yra vienodi III protas, bet skirtingai nei ledas III ledo struktūroje IX protonų išsidėstymo tvarka yra.
Ledo šildymas IX negrąžina jo į originalą III modifikacijų, bet virsta ledu II. Ląstelių matmenys: a=b = 6,69, c = 6,71 Å esant minus 108°C ir 2800 atm.

Beje, mokslinės fantastikos rašytojo Kurto Vonneguto (Kurt Vonnegut) romanas 1963 m. „Katės lopšys“ yra pastatytas aplink medžiagą, vadinamą ledo devyniu, kuri apibūdinama kaip dirbtinai gauta medžiaga, kelianti didelį pavojų gyvybei, nes susilietus su vandeniu vanduo kristalizuojasi. tai, pavirtęs į ledo devynetą. Net ir nedideliam kiekiui šios medžiagos patekus į natūralų vandens plotą su vaizdu į pasaulio vandenyną, gresia užšalti visas planetos vanduo, o tai savo ruožtu reiškia visos gyvybės mirtį. Galų gale viskas taip ir atsitinka.

Ledas IV yra metastabilus (silpnai stabilus) trigonalinis kristalinės gardelės darinys. Jo egzistavimas įmanomas ledo fazių erdvėje III, V Ir VI modifikacijas. gauti ledo IV gali būti pagamintas iš didelio tankio amorfinio ledo, lėtai jį kaitinant, pradedant nuo minus 130 ° C esant pastoviam 8000 atm slėgiui.
Elementarios romboedrinės ląstelės dydis yra 7,60 Å, kampai α=β=γ = 70,1°. Ląstelėje yra 16 molekulių; vandeniliniai ryšiai tarp molekulių yra asimetriški. Esant 1 atm slėgiui ir minus 163°C temperatūrai, IV ledo tankis yra 1,27 g/cm³. O–O–O ryšio kampas: 88–128°.

Panašiai IV susidariusio ledo tipas ir ledas XII– kaitinant didelio tankio amorfinę modifikaciją (apie tai plačiau žemiau) nuo minus 196 iki minus 90°C tuo pačiu 8000 atm slėgiu, bet didesniu greičiu.
Ledas XII taip pat metastabilios fazės srityje V Ir VI kristaliniai tipai. Tai savotiška tetragoninė singonija.
Vienetinėje ląstelėje yra 12 molekulių, kurios dėl vandenilinių jungčių, kurių kampai yra 84–135°, išsidėstę kristalinėje gardelėje ir sudaro dvigubą dešiniąją spiralę. Ląstelė turi matmenis: a=b = 8,27, c = 4,02 Å; kampai α=β=γ = 90º. Ledo XII tankis yra 1,30 g/cm³ esant normaliam atmosferos slėgiui ir minus 146°C temperatūrai. Vandenilinio ryšio kampai: 67–132°.

Iš iki šiol atrastų vandens ledo modifikacijų ledas turi sudėtingiausią kristalų struktūrą. V. 28 molekulės sudaro jos vienetinę ląstelę; vandeniliniai ryšiai eina per kitų molekulinių junginių tarpus, o kai kurios molekulės sudaro ryšius tik su tam tikrais junginiais. Vandenilio ryšių kampas tarp gretimų molekulių labai skiriasi - nuo 86 iki 132 °, todėl ledo kristalinėje gardelėje V yra stipri įtampa ir didžiulis energijos tiekimas.
Ląstelių parametrai esant normaliam atmosferos slėgiui ir temperatūrai minus 175°С: a= 9,22, b= 7,54, c= 10,35 Å; α=β = 90°, γ = 109,2°.
Ledas V- Tai monoklininė veislė, susidaranti atšaldžius vandenį iki minus 20 ° C, esant maždaug 5000 atm slėgiui. Kristalinės gardelės tankis, atsižvelgiant į 3500 atm slėgį, yra 1,24 g/cm³.
Ledo kristalinės gardelės erdvinė diagrama V parodytas tipas iliustracijos 18. Kristalo elementarios ląstelės sritis pažymėta pilku kontūru.

Tvarkingas protonų išsidėstymas ledo struktūroje V daro jį kitokią rūšį, vadinamą ledu XIII. Šią monoklininę modifikaciją galima gauti aušinant vandenį žemiau minus 143°C, pridedant druskos rūgšties (HCl), kad būtų palengvintas fazinis perėjimas ir sukuriamas 5000 atm slėgis. Grįžtamasis perėjimas iš XIII tipas k V tipas galimas temperatūros diapazone nuo minus 193°С iki minus 153°С.
Ledo vienetinių ląstelių matmenys XIIIšiek tiek skiriasi nuo V modifikacijos: a= 9,24, b= 7,47, c= 10,30 Å; α=β = 90°, γ = 109,7° (esant 1 atm, minus 193°С). Molekulių skaičius ląstelėje vienodas – 28. Vandenilinių ryšių kampas: 82–135°.

Kitoje mūsų straipsnio dalyje ir toliau apžvelgsime vandens ledo modifikacijas.

Iki pasimatymo mūsų tinklaraščio puslapiuose!

VANDENS IR VANDENS GARŲ TERMODINAMINĖS SAVYBĖS

Sąvoka „vanduo“ reiškia H2O bet kurioje iš galimų jo fazių būsenų.

Gamtoje vanduo gali trijose būsenose: tv.(ledas, sniegas), w. (vanduo), g (garai).

Apsvarstykite vandenį be energijos. sąveika su aplinka. plg., t.y. pusiausvyroje.

Ledo ar skysčio paviršiuje visada yra garų. Kontaktinės fazės yra t / d pusiausvyroje: greitos molekulės išskrenda iš skystosios fazės, įveikdamos paviršiaus jėgas, o lėtos molekulės pereina iš garų fazės į skystąją fazę. fazė.

Pusiausvyros būsenoje kiekvienas T atitinka tam tikrą garų slėgį – bendrą (jei virš skysčio yra tik garai) arba dalinį (jei yra garų mišinys su oru ar kitomis dujomis).

Garai pusiausvyroje su fazė, iš kurios ji susidarė, yra prisotinta, o atitinkamas T yra prisotinimas T ir slėgis–p prisotinimas.

Nepusiausvyros vandens būsenos:

a) Tegul garų slėgis virš skysčio sumažėja žemiau soties slėgio. Tokiu atveju pusiausvyra sutrinka, per sąsają dėl greičiausių molekulių vyksta nekompensuotas medžiagos perėjimas iš skystosios fazės į dujinę.

Nekompensuoto materijos perėjimo iš šulinio procesas. įsijungia - garinimas.

Vadinamas nekompensuoto medžiagos perėjimo iš kietosios fazės į dujinę fazę procesas sublimacija arba sublimacija .

Išgaravimo arba sublimacijos intensyvumas didėja intensyviai šalinant susidariusius garus. Šiuo atveju skystosios fazės temperatūra mažėja, nes iš jos išeina didžiausią energiją turinčios molekulės. Tai galima pasiekti nemažinant slėgio, tiesiog pučiant oro srautą.

b) Tegul skystis tiekiamas šiluma atvirame inde. Tokiu atveju sočiųjų garų T ir atitinkamai p virš skysčio auga ir gali pasiekti bendrą išorinį slėgį (P = P n). Tuo atveju, kai P = P n, kaitinimo paviršiuje skysčio T. pakyla virš T sočiųjų garų esant čia vyraujančiam slėgiui tie. susidaro sąlygos skysčio tirštumo garams susidaryti.

Medžiagos perėjimo iš skystos fazės į garų fazę tiesiai skystyje vadinamas procesas verdantis.

Garų burbuliukų susidarymo skystyje procesas yra sudėtingas. Kad vanduo užvirtų, būtina, kad šilumos tiekimo paviršiuje būtų garavimo centrai – įdubimai, išsikišimai, nelygumai ir kt. Prie kaitinimo paviršiaus, verdant, čia vyraujančio slėgio vandens ir sočiųjų garų skirtumas T priklauso nuo šilumos tiekimo intensyvumo ir gali siekti keliasdešimt laipsnių.

Skysčio paviršiaus įtempimo jėgų veikimas sukelia skysčio perkaitimą sąsajoje, kai jis užverda 0,3-1,5 o C, palyginti su virš jo esančių sočiųjų garų temperatūra.

Bet koks medžiagos perėjimo iš skystos fazės į garus procesas - garinimas.

Garinimui priešingas procesas, t.y. nekompensuotas medžiagos perėjimas iš garų fazės į skystį, kondensacija.

Esant pastoviam garų slėgiui, pastovioje temperatūroje susidaro kondensacija (kaip ir virimas) ir yra šilumos pašalinimo iš sistemos rezultatas.

Sublimacijai priešingas procesas, t.y. medžiagos perėjimas iš garų fazės tiesiai į kietą medžiagą, desublimacija.

Vandens skystoji fazė jo virimo temperatūroje vadinama prisotintas skysčiu .

Garai esant virimo (sotumo) temperatūrai vadinami sausi sotieji garai .

Dviejų fazių mišinys "l + p" soties būsenoje - drėgni prisotinti garai.

T/d šis terminas apima dvifazes sistemas, kuriose sočiųjų garų kiekis gali būti virš skysčio lygio arba reikšti garų mišinį su jame suspenduotais skysčio lašeliais. Norint apibūdinti šlapius sočius garus koncepcija sausumo laipsnis X, tai yra sausų sočiųjų garų masės santykis,m s.n.p., iki bendro mišinio svorio,m cm = m s.s.p. + m f.s.n., jį su skysčiu prisotinto būsenoje:

Prisotinto vandens skystosios fazės masės ir mišinio masės santykis vadinamas drėgmės laipsniu (1–x):

Šilumos tiekimas į drėgną prisotintą garą esant pastoviai p veda prie perėjimo x. mišinio fazė p Šiuo atveju T mišinys (sotumas) negali būti didinamas tol, kol visas skystis virsta garais. Tolesnis šilumos tiekimas tik garų fazei soties būsenoje padidina T garą.

Garai, viršijantys soties temperatūrą esant tam tikram slėgiui, vadinami perkaitinti garai. Perkaitintų garų temperatūros skirtumas t ir tokio pat slėgio sočiųjų garų t n paskambino garų perkaitimo laipsnis Dt p \u003d t -t n.

Didėjant garo perkaitimo laipsniui, didėja jo tūris, mažėja molekulių koncentracija, pagal savo savybes jis artėja prie dujų.

6.2. Fazių diagramos P, t-, P, v- ir T, s H 2 O

Analizuojant įvairius t/d H 2 O būsenos kitimo procesus, plačiai naudojamos fazių diagramos.

Būsenos diagrama (arba fazių diagrama) yra grafinis sistemos būseną apibūdinančių dydžių ir fazių transformacijų sistemoje (perėjimas iš kieto į skystą, iš skysto į dujinį ir pan.) vaizdavimas.

Ryžiai. 72. Ledo sandaros schema.

Ryžiai. 73. Vandens būklės žemo slėgio srityje diagrama.

Ryžiai. 74. Cilindras, kuriame vanduo yra pusiausvyroje su vandens garais.

Būsenų diagramos plačiai naudojamos chemijoje. Vienkomponentėms sistemoms dažniausiai naudojamos būsenos diagramos, parodančios fazių virsmų priklausomybę nuo temperatūros ir slėgio; jos vadinamos P-T būsenos diagramomis.

Ant pav. 73 schematiškai (ne griežtai pagal mastelį) pavaizduota vandens būklės diagrama. Bet kuris diagramos taškas atitinka tam tikras temperatūros ir slėgio vertes.

Diagramoje pavaizduotos tos vandens būsenos, kurios yra termodinamiškai stabilios esant tam tikrai temperatūrai ir slėgiui. Jį sudaro trys kreivės, kurios riboja visas galimas temperatūras ir slėgius į tris sritis, atitinkančias ledą, skystį ir garus.

Panagrinėkime kiekvieną kreivę išsamiau. Pradėkime nuo OA kreivės (73 pav.), kuri atskiria garų sritį nuo skystos būsenos srities. Įsivaizduokite cilindrą, iš kurio pašalinamas oras, po kurio į jį įleidžiamas tam tikras kiekis gryno, be ištirpusių medžiagų, įskaitant dujas, vandens; cilindre yra stūmoklis, kuris fiksuojamas tam tikroje padėtyje (74 pav.). Po kurio laiko dalis vandens išgaruos ir virš jo paviršiaus atsiras sočiųjų garų. Galite išmatuoti jo slėgį ir įsitikinti, kad jis laikui bėgant nekinta ir nepriklauso nuo stūmoklio padėties. Jei padidinsite visos sistemos temperatūrą ir dar kartą pamatuosite prisotinimo garų slėgį, paaiškės, kad jis padidėjo. Kartodami tokius matavimus skirtingose ​​temperatūrose, randame sočiųjų vandens garų slėgio priklausomybę nuo temperatūros. OA kreivė yra šios priklausomybės grafikas: kreivės taškai rodo tas temperatūros ir slėgio verčių poras, kuriose skystas vanduo ir vandens garai yra pusiausvyroje vienas su kitu - jie egzistuoja kartu. OA kreivė vadinama skysčio ir garų pusiausvyros kreive arba virimo kreive. Lentelėje. 8 (p. 202) parodytas soties garų slėgis esant kelioms temperatūroms.

Pabandykime realizuoti cilindre nuo pusiausvyros skirtingą slėgį, pavyzdžiui, mažesnį nei pusiausvyrinis. Norėdami tai padaryti, atleiskite stūmoklį ir pakelkite jį. Pirmą akimirką slėgis cilindre tikrai nukris, tačiau netrukus pusiausvyra atsistatys: išgaruos papildomas vandens kiekis ir slėgis vėl pasieks pusiausvyros reikšmę. Tik tada, kai visas vanduo išgaruoja, gali būti pasiektas mažesnis nei pusiausvyros slėgis. Iš to išplaukia, kad garų sritis atitinka taškus, esančius žemiau esančioje fazių diagramoje arba į dešinę nuo OA kreivės.

8 lentelė. Sočiųjų vandens garų slėgis esant įvairioms temperatūroms

Jei bandote sukurti slėgį, viršijantį pusiausvyrą, tai galima pasiekti tik nuleidus stūmoklį į vandens paviršių. Kitaip tariant, diagramos taškai, esantys virš OA kreivės arba į kairę nuo jos, atitinka skystos būsenos sritį.

Kiek laiko skysčio ir garų būsenos sritys tęsiasi į kairę? Nubrėžkime po vieną tašką abiejose srityse ir nuo jų horizontaliai judėsime į kairę. Šis diagramos taškų judėjimas atitinka skysčio ar garų aušinimą esant pastoviam slėgiui. Yra žinoma, kad jei atvėsinsite vandenį esant normaliam atmosferos slėgiui, tada, kai jis pasieks, vanduo pradės užšalti. Atlikdami panašius eksperimentus su kitais slėgiais, gauname OS kreivę, skiriančią skysto vandens sritį nuo ledo srities. Ši kreivė – kieto ir skysčio pusiausvyros kreivė arba lydymosi kreivė – parodo tas temperatūros ir slėgio verčių poras, kuriose ledas ir skystas vanduo yra pusiausvyroje.

Horizontaliai judėdami į kairę garų srityje (apatinėje diagramos dalyje), panašiai pasieksime OB kreivę. Tai kietojo būvio – garų arba sublimacijos kreivė – pusiausvyros kreivė. Tai atitinka tas temperatūros ir slėgio verčių poras, kuriose ledas ir vandens garai yra pusiausvyroje.

Visos trys kreivės susikerta taške O. Šio taško koordinatės yra vienintelė temperatūros ir slėgio verčių pora, kuriai esant visos trys fazės gali būti pusiausvyroje: ledas, skystas vanduo ir garai. Jis vadinamas trigubu tašku.

Lydymosi kreivė buvo ištirta iki labai aukšto slėgio. Šioje srityje buvo rasta keletas ledo modifikacijų (neparodyta diagramoje).

Dešinėje virimo kreivė baigiasi kritiniame taške. Esant šį tašką atitinkančiai temperatūrai – kritinei temperatūrai – skysčio ir garų fizikines savybes apibūdinantys dydžiai tampa vienodi, todėl skirtumas tarp skysčio ir garų būsenos išnyksta.

Kritinės temperatūros egzistavimą 1860 metais nustatė D. I. Mendelejevas, tyrinėdamas skysčių savybes. Jis parodė, kad esant aukštesnei nei kritinei temperatūrai, medžiaga negali būti skystos būsenos. 1869 metais Andrewsas, tyrinėdamas dujų savybes, padarė panašią išvadą.

Skirtingų medžiagų kritinė temperatūra ir slėgis skiriasi. Taigi, vandeniliui , chlorui , , vandeniui , .

Viena iš vandens savybių, išskiriančių jį iš kitų medžiagų, yra ledo lydymosi temperatūros mažėjimas didėjant slėgiui (žr. § 70). Ši aplinkybė atsispindi diagramoje. Vandens būsenos diagramoje OC lydymosi kreivė kyla į kairę, o beveik visų kitų medžiagų – į dešinę.

Transformacijos, vykstančios su vandeniu esant atmosferos slėgiui, diagramoje atspindimos taškais arba segmentais, esančiais horizontalioje, atitinkančioje . Taigi ledo tirpimas arba vandens kristalizacija atitinka tašką D (73 pav.), vandens virimas – tašką E, vandens kaitinimas arba vėsinimas – atkarpą DE ir t.t.

Buvo ištirtos daugelio mokslinės ar praktinės svarbos medžiagų būsenų diagramos. Iš esmės jie yra panašūs į nagrinėjamą vandens būklės diagramą. Tačiau įvairių medžiagų būklės diagramos gali turėti ypatybių. Taigi žinomos medžiagos, kurių trigubas taškas yra esant slėgiui, viršijančiam atmosferos slėgį. Šiuo atveju, kaitinant kristalus atmosferos slėgyje, ši medžiaga neištirpsta, o sublimuojasi - kietoji fazė virsta tiesiai į dujinę,