Tuzlu suyun yoğunluk faz diyagramı. Suyun durumu diyagramı ve fazlar kuralı. Suyun faz diyagramı

Gibbs faz kuralının tek bileşenli sistemlere uygulanması. Su ve kükürtün faz diyagramları

Tek bileşenli sistem için İLE=1 ve faz kuralı şu şekilde yazılır:

C = 3- F

Eğer F= 1 ise İLE=2, diyorlar ki sistem iki değişkenli;
F= 2 ise İLE=1, sistem tek değişkenli;
F= 3 ise İLE = 0, sistem değişmez.

Basınç arasındaki ilişki ( R), sıcaklık ( T) ve hacim ( V) fazlar üç boyutta temsil edilebilir faz diyagramı. Her nokta (adlandırılır) mecazi nokta) böyle bir diyagramda bazı denge durumlarını gösterir. Bu diyagramın bölümleriyle bir düzlem kullanarak çalışmak genellikle daha uygundur. R – T(saatte V = sabit) veya uçak P-V(saatte T = sabit). Aşağıda sadece bir düzlemle kesit durumunu ele alacağız. R – T(saatte V = sabit).

Suyun durumu geniş bir sıcaklık ve basınç aralığında incelenmiştir. Yüksek basınçlarda buzun en az on kristal modifikasyonunun varlığı tespit edilmiştir. En çok incelenen buz I'dir - buzun doğada bulunan tek modifikasyonu.

Bir maddenin çeşitli modifikasyonlarının varlığı - polimorfizm - durum diyagramlarının karmaşıklığına yol açar.

Koordinatlarda suyun faz diyagramı R – TŞekil 15'te sunulmaktadır. 3'ten oluşur faz alanları- çeşitli alanlar R, T- suyun belirli bir faz formunda bulunduğu değerler - buz, sıvı su veya buhar (şekilde sırasıyla L, F ve P harfleriyle gösterilmiştir). Bu faz alanları 3 sınır eğrisiyle ayrılmıştır.

AB Eğrisi - buharlaşma eğrisi, bağımlılığı ifade eder sıcaklıktan sıvı suyun buhar basıncı(veya tersine, suyun kaynama noktasının dış basınca bağımlılığını temsil eder). Başka bir deyişle bu çizgi iki fazlı dengeye karşılık gelir.

Sıvı su ↔ buhar ve faz kuralına göre hesaplanan serbestlik derecesi sayısı İLE= 3 – 2 = 1. Bu dengeye denir tek değişkenli. Bu, sistemin tam bir açıklaması için yalnızca belirlemenin yeterli olduğu anlamına gelir. bir değişken- Ya sıcaklık ya da basınç, çünkü belirli bir sıcaklık için yalnızca bir denge basıncı vardır ve belirli bir basınç için yalnızca bir denge sıcaklığı vardır.

AB çizgisinin altındaki noktalara karşılık gelen basınç ve sıcaklıklarda sıvı tamamen buharlaşacaktır ve bu bölge buhar bölgesidir. Belirli bir tek fazlı bölgedeki bir sistemi tanımlamak için iki bağımsız değişkene ihtiyaç vardır: sıcaklık ve basınç ( İLE = 3 – 1 = 2).

AB çizgisinin üzerindeki noktalara karşılık gelen basınç ve sıcaklıklarda, buhar tamamen sıvıya yoğunlaşır ( İLE= 2). AB buharlaşma eğrisinin üst sınırı, kritik nokta olarak adlandırılan B noktasındadır (su için 374.2°С ve 218.5 ATM.). Bu sıcaklığın üzerinde sıvı ve buhar fazları ayırt edilemez hale gelir (sıvı/buhar arayüzü kaybolur), dolayısıyla F = 1.

AC Hattı - bağımlılığı yansıtan bu buz süblimasyon eğrisi (bazen süblimasyon çizgisi olarak da adlandırılır) sıcaklık üzerindeki buzun üzerindeki su buharı basıncı. Bu çizgi, tek değişkenli buz ↔ buhar dengesine karşılık gelir ( İLE= 1). AC çizgisinin üstünde buz alanı, altında ise buhar alanı bulunur.

AD Çizgisi - erime eğrisi, bağımlılığı ifade eder buzun erime sıcaklığına karşı basınç ve tek değişkenli buz ↔ sıvı su dengesine karşılık gelir. Çoğu madde için AD çizgisi dikeyden sağa doğru sapar, ancak suyun davranışı anormaldir: sıvı su buzdan daha az hacim kaplar. Basınçtaki bir artış dengenin sıvı oluşumuna doğru kaymasına neden olur, yani donma noktası düşer.

Yüksek basınçlarda buzun erime eğrisinin seyrini belirlemek için ilk olarak Bridgman tarafından gerçekleştirilen çalışmalar, buzun mevcut tüm kristalin modifikasyonlarının, birincisi hariç, sudan daha yoğun olduğunu gösterdi. Dolayısıyla AD çizgisinin üst sınırı, buz I (sıradan buz), buz III ve sıvı suyun dengede bir arada bulunduğu D noktasıdır. Bu nokta –22ºС ve 2450'de bulunur. ATM.

Pirinç. 15. Suyun faz diyagramı

Su örneğini kullanırsak, faz diyagramının her zaman Şekil 15'te gösterildiği kadar basit olmadığı açıktır. Su, kristal yapılarında farklılık gösteren birçok katı faz formunda mevcut olabilir (bkz. Şekil 16).

Pirinç. 16. Geniş bir basınç değerleri aralığında suyun genişletilmiş faz diyagramı.

Havanın yokluğunda suyun üçlü noktası (üç fazın - sıvı, buz ve buhar - dengesini yansıtan bir nokta) 0,01ºС'de bulunur ( T = 273,16k) ve 4,58 mmHg. Serbestlik derecesi sayısı İLE= 3-3 = 0 ve böyle bir dengeye değişmez denir.

Havanın varlığında üç faz 1'de dengededir. ATM. ve 0°С ( T = 273,15k). Havadaki üçlü noktanın azalması aşağıdaki nedenlerden kaynaklanmaktadır:

1. Havanın sıvı sudaki çözünürlüğü 1 ATM bu üçlü noktada 0,0024ºС oranında bir azalmaya yol açar;

2. Basınçta 4,58'den artış mmHg. 1'e kadar ATM bu da üçlü noktayı 0,0075ºС daha azaltır.

Suyun koşulları.

Su üç toplu halde veya fazda olabilir: katı (buz), sıvı (suyun kendisi), gaz (su buharı). Dünya üzerinde gerçekte mevcut olan atmosferik basınç ve sıcaklık aralıkları göz önüne alındığında, suyun aynı anda farklı toplanma durumlarında olabilmesi çok önemlidir. Bu bakımdan su, doğal koşullar altında ağırlıklı olarak katı (mineraller, metaller) veya gaz halinde (O2, N2, CO2, vb.) halde bulunan diğer fiziksel maddelerden önemli ölçüde farklıdır.

Bir maddenin toplam halindeki değişikliklere faz geçişleri denir. Bu durumlarda maddenin özellikleri (örneğin yoğunluk) aniden değişir. Faz geçişlerine, faz geçişi ısısı (“gizli ısı”) adı verilen enerjinin salınması veya emilmesi eşlik eder.

Suyun toplam durumunun basınç ve sıcaklığa bağımlılığı, suyun durum diyagramı veya faz diyagramı ile ifade edilir (Şekil 5.1.1.).

Şekil 5.1.1'deki BB"O eğrisine erime eğrisi denir. Bu eğriden soldan sağa geçerken erime meydana gelir.

Pirinç. 5.1.1. Su diyagramı

I – VIII – buzun çeşitli modifikasyonları

buz ve sağdan sola - buz oluşumu (suyun kristalleşmesi). OK eğrisine buharlaşma eğrisi denir. Bu eğriden geçerken soldan sağa suyun kaynaması, sağdan sola ise su buharının yoğunlaşması görülmektedir. AO eğrisine süblimasyon eğrisi veya süblimasyon eğrisi denir. Soldan sağa geçerken buz buharlaşır (süblimleşme) ve sağdan sola doğru katı fazda yoğunlaşma (veya süblimleşme) meydana gelir.

O noktasında (610 Pa basınçta ve 0,01 ° C veya 273,16 K sıcaklıkta üçlü nokta olarak adlandırılan), su aynı anda her üç toplanma durumundadır.

Buzun eridiği (veya suyun kristalleştiği) sıcaklığa sıcaklık veya erime noktası Tpl denir. Bu sıcaklığa aynı zamanda sıcaklık veya donma noktası T sub da denilebilir.

Suyun yüzeyinden, buz ve karın yanı sıra belirli sayıda molekül de sürekli olarak kopup havaya taşınarak su buharı molekülleri oluşturur. Aynı zamanda su buharı moleküllerinin bir kısmı su, kar ve buz yüzeyine geri döner. İlk işlem baskınsa su buharlaşır, ikinci işlem gerçekleşirse su buharı yoğunlaşır. Bu işlemlerin yönünü ve yoğunluğunu düzenleyen nem açığıdır - belirli bir hava basıncında alanı doyuran su buharının esnekliği ve su yüzeyinin sıcaklığı (kar, buz) ile su buharının esnekliği arasındaki fark aslında havada bulunur, yani. mutlak hava nemi. Havadaki doymuş su buharı içeriği ve elastikiyeti artan sıcaklıkla (normal basınçta) aşağıdaki şekilde artar. 0°C sıcaklıkta doymuş su buharının içeriği ve esnekliği sırasıyla 4,856 g/m3 ve 6,1078 hPa, 20°C - 30,380 g/m3 ve 23,373 hPa, 40°C - 51,127 g/'dir. m3 ve 73.777 hPa.

Su yüzeyinden (buz, kar) ve nemli topraktan buharlaşma herhangi bir sıcaklıkta meydana gelir ve ne kadar yoğun olursa nem açığı da o kadar büyük olur. Artan sıcaklıkla birlikte alanı doyuran su buharının esnekliği artar ve buharlaşma hızlanır. Buharlaşmadaki bir artış aynı zamanda buharlaşan yüzey üzerindeki hava hareketinin hızında (yani doğal koşullardaki rüzgar hızında) bir artışa yol açarak dikey kütlenin yoğunluğunu ve ısı transferini artırır.

Yoğun buharlaşma suyun sadece serbest yüzeyini değil aynı zamanda kalınlığını da kapladığında, ortaya çıkan kabarcıkların iç yüzeyinden buharlaşma meydana geldiğinde kaynama işlemi başlar. Doymuş su buharının basıncının dış basınca eşit olduğu sıcaklığa sıcaklık veya kaynama noktası Tbp denir.

Normal atmosfer basıncında (1,013 105 Pa = 1,013 bar = 1 atm = 760 mm Hg), suyun donma noktaları (buzun erimesi) ve kaynama noktaları (yoğunlaşma) Santigrat ölçeğinde 0 ve 100°'ye karşılık gelir.

Donma noktası Tzam ve suyun kaynama noktası Tbip basınca bağlıdır (bkz. Şekil 3.9.2.). 610 ila 1,013 105 Pa (veya 1 atm) arasındaki basınç değişim aralığında, donma sıcaklığı hafifçe düşer (0,01 ila 0 ° C), ardından basınç yaklaşık 6 107 Pa (600 atm) T'ye yükseldiğinde donma sıcaklığı düşer -5 ° C'ye, basıncın 2,2 108 Pa'ya (2.200 atm) yükselmesiyle Tdz -22 ° C'ye düşer. Basınçta daha fazla artışla Tdz hızla artmaya başlar. Çok yüksek basınçta, özellikleri bakımından sıradan buzdan (buz I) farklı olan buzun (II-VIII) özel "modifikasyonları" oluşur.

Dünyadaki gerçek atmosferik basınçta, tatlı su yaklaşık 0 ° C sıcaklıkta donar. Okyanustaki maksimum derinliklerde (yaklaşık 11 km), basınç 108 Pa veya 1.000 atm'yi aşar (her 10 m'lik artışta derinlikte bir artış olur) basıncı yaklaşık 105 Pa veya 1 atm kadar artırın). Bu basınçta tatlı suyun donma noktası yaklaşık -12°C olacaktır.

Suyun donma noktasını düşürmek için

tuzluluğu etkiler.

1.4). Tuzluluktaki her 10‰ artış T'yi yaklaşık 0,54°C azaltır:

T yardımcısı = -0,054 S.

Kaynama noktası, basınç azaldıkça düşer (bkz. Şekil 3.9.2.). Bu nedenle dağlarda yüksek rakımlarda su 100 ° C'den daha düşük bir sıcaklıkta kaynar. Artan basınçla, p = 2.2 107 Pa ve T kaynama = 374 ° olduğunda T kaynaması "kritik nokta" olarak adlandırılan noktaya kadar artar. C, su aynı anda hem sıvı hem de gaz özelliklerine sahiptir.

Suyun durumu şeması, suyun yalnızca Dünya üzerindeki "davranışı" üzerinde değil, aynı zamanda bir bütün olarak gezegenin doğal koşulları üzerinde de belirleyici etkiye sahip olan iki "anormalliği" göstermektedir. Mendeleev'in Periyodik Tablosunda oksijenle aynı sırada yer alan elementlerle hidrojen bileşikleri olan tellür Te, selenyum Se ve kükürt S içeren maddelerle karşılaştırıldığında, suyun donma ve kaynama noktaları alışılmadık derecede yüksektir. Bahsedilen maddelerin donma ve kaynama noktaları ile kütle numaraları arasındaki doğal ilişki göz önüne alındığında, suyun yaklaşık -90° C donma sıcaklığına ve yaklaşık -70° C kaynama noktasına sahip olması beklenir. Anormal derecede yüksek değerler ​Donma ve kaynama sıcaklıkları, suyun gezegende katı ve sıvı halde var olma olasılığını önceden belirler ve Dünya'daki ana hidrolojik ve diğer doğal süreçler için belirleyici koşullar olarak hizmet eder.

Suyun yoğunluğu

Yoğunluk herhangi bir maddenin en önemli fiziksel özelliğidir. Birim hacim başına homojen bir maddenin kütlesini temsil eder:

m kütle, V hacimdir. Yoğunluk p kg/m3 boyutundadır.

Diğer maddeler gibi suyun yoğunluğu da öncelikle sıcaklığa ve basınca bağlıdır (ve doğal sular için ayrıca çözünmüş ve ince bir şekilde dağılmış askıda katı madde içeriğine de bağlıdır) ve faz geçişleri sırasında aniden değişir. diğer herhangi bir madde, sıcaklık değişimlerinin çoğunda azalır; bu, artan sıcaklıkla moleküller arasındaki mesafenin artmasıyla ilişkilidir. Bu model yalnızca buz eridiğinde ve su 0 ila 4° (daha doğrusu 3,98° C) aralığında ısıtıldığında ihlal edilir. Burada suyun çok önemli iki "anatomisine" daha dikkat çekilmiştir: 1) katı haldeki (buz) suyun yoğunluğu, diğer maddelerin büyük çoğunluğu için geçerli olmayan, sıvı haldeki (su) yoğunluktan daha azdır; 2) 0 ila 4 ° C arasındaki su sıcaklığı aralığında, suyun yoğunluğu artan sıcaklıkla azalmaz, ancak artar. Su yoğunluğundaki değişikliklerin özellikleri suyun moleküler yapısının yeniden yapılandırılmasıyla ilişkilidir. Suyun bu iki "anormalliği" hidrolojik açıdan büyük öneme sahiptir: buz sudan daha hafiftir ve bu nedenle yüzeyinde "yüzer"; 4°'nin altındaki bir sıcaklığa soğutulan tatlı su daha az yoğun hale geldiğinden ve dolayısıyla yüzey katmanında kaldığından, rezervuarlar genellikle dibe kadar donmaz.

Buzun yoğunluğu yapısına ve sıcaklığına bağlıdır. Gözenekli buz Tablo 1.1'de belirtilenden çok daha düşük bir yoğunluğa sahip olabilir. Kar yoğunluğu daha da azdır. Yeni düşen karın yoğunluğu 80-140 kg/m3 olup, sıkıştırılmış karın yoğunluğu kademeli olarak 140-300'den (erime başlangıcında) 240-350'ye (erime başlangıcında) ve 300-450 kg/m3'e çıkar. (erime sonunda). Yoğun ıslak kar, 600-700 kg/m3'e kadar yoğunluğa sahip olabilir. Erime sırasında kar tanelerinin yoğunluğu 400-600, çığ karlarının yoğunluğu ise 500-650 kg/m3'tür. Buz ve kar eridiğinde oluşan su tabakası, buz veya kar tabakasının kalınlığına ve yoğunluğuna bağlıdır. Buz veya kardaki su miktarı şuna eşittir:

h in = ah l r l / r

burada h l buz veya kar tabakasının kalınlığıdır, r l bunların yoğunluğudur, p suyun yoğunluğudur ve h ve h l boyutlarının oranıyla belirlenen bir çarpandır: su katmanı mm cinsinden ifade edilirse, ve cm cinsinden buzun (kar) kalınlığı, bu durumda a=10, aynı boyutta a=1 olur.

Suyun yoğunluğu da içindeki çözünmüş maddelerin içeriğine bağlı olarak değişir ve artan tuzlulukla birlikte artar (Şekil 1.5). Normal basınçta deniz suyunun yoğunluğu 1025-1033 kg/m3'e ulaşabilir.

Sıcaklık ve tuzluluğun atmosferik basınçta suyun yoğunluğu üzerindeki birleşik etkisi, deniz suyunun durum denklemi adı verilen denklem kullanılarak ifade edilir. Böyle bir denklem en basit doğrusal haliyle şu şekilde yazılır:

p = p o (1 - α 1 T + α 2 S)

burada T su sıcaklığıdır, °C, S suyun tuzluluğudur, ‰, p o T = 0 ve S = 0'daki suyun yoğunluğudur, α 1 ve α 2 parametrelerdir.

Tuzluluktaki bir artış aynı zamanda aşağıdaki formüle göre en yüksek yoğunluğun (°C) sıcaklığında bir azalmaya yol açar.

Tmaks.pl = 4 - 0,215 S.

Pirinç. 5.2.1. Normal atmosferik basınçta suyun yoğunluğunun suyun sıcaklığına ve tuzluluğuna bağlılığı.

Tuzluluktaki her ‰'lik bir artış, Tmax'ı yaklaşık 2° C azaltır. Maksimum yoğunluk sıcaklığının ve donma sıcaklığının su tuzluluğuna bağımlılığı, Helland-Hansen grafiği olarak adlandırılan grafikle gösterilmektedir (bkz. Şekil 3.10.1). .

En yüksek yoğunluk ve donma sıcaklıkları arasındaki ilişki, suyun soğuması ve yoğunluk farklılıklarından kaynaklanan dikey konveksiyon - karıştırma işleminin doğasını etkiler. Hava ile ısı alışverişi sonucu suyun soğutulması, suyun yoğunluğunun artmasına ve buna bağlı olarak daha yoğun olan suyun alçalmasına neden olur. Onun yerine daha sıcak ve daha az yoğun sular yükselir. Dikey yoğunluklu konveksiyon süreci meydana gelir. Ancak tuzluluk oranı ‰24,7'den az olan tatlı ve acı sular için bu süreç yalnızca su en yüksek yoğunluk sıcaklığına ulaşana kadar devam eder (bkz. Şekil 1.4). Suyun daha fazla soğutulması yoğunluğunun azalmasına ve dikey konveksiyonun durmasına neden olur. S>24,7 ‰ seviyesindeki tuzlu sular donuncaya kadar dikey konveksiyona maruz kalır.

Bu nedenle kışın tatlı veya acı sularda, dibe yakın ufuklarda su sıcaklığı yüzeye göre daha yüksektir ve Helland-Hansen grafiğine göre her zaman donma sıcaklığının üzerindedir. Bu durum derinlerdeki su kütlelerinde yaşamın korunması açısından büyük önem taşımaktadır. Su, diğer tüm sıvılar gibi aynı en yüksek yoğunluk ve donma sıcaklığına sahip olsaydı, rezervuarlar dibe kadar donabilir ve bu da çoğu organizmanın kaçınılmaz ölümüne neden olabilir.

Sıcaklıktaki bir değişiklikle suyun yoğunluğundaki "anormal" bir değişiklik, su hacminde aynı "anormal" değişikliği gerektirir: sıcaklığın 0'dan 4 ° C'ye yükselmesiyle kimyasal olarak saf suyun hacmi azalır ve yalnızca sıcaklığın daha da artmasıyla artar; buzun hacmi her zaman aynı su kütlesinin hacminden belirgin şekilde daha fazladır (su donduğunda boruların nasıl patladığını unutmayın).

Sıcaklık değiştiğinde suyun hacmindeki değişiklik formülle ifade edilebilir.

V T1 = V T2 (1 + β DT)

burada V T1, T1 sıcaklığındaki suyun hacmidir, V T2, T2'deki suyun hacmidir, β, 0 ila 4 ° C arasındaki sıcaklıklarda negatif değerler ve pozitif değerler alan hacimsel genleşme katsayısıdır. 4 ° C'nin üzerinde ve 0 ° C'nin altında su sıcaklıkları ( buz) (bkz. Tablo 1.1),

Basıncın suyun yoğunluğu üzerinde de etkisi vardır. Suyun sıkıştırılabilirliği çok küçüktür, ancak okyanusun büyük derinliklerinde bu hala suyun yoğunluğunu etkiler. Her 1000 m derinlikte su kolonunun basıncının etkisiyle yoğunluk 4,5-4,9 kg/m3 artar. Bu nedenle, maksimum okyanus derinliklerinde (yaklaşık 11 km), suyun yoğunluğu yüzeydekinden yaklaşık 48 kg/m3 daha fazla olacaktır ve S = ‰35'te yaklaşık 1076 kg/m3 olacaktır. Eğer su tamamen sıkıştırılamaz olsaydı, dünya okyanuslarının seviyesi gerçekte olduğundan 30 m daha yüksek olurdu. Suyun düşük sıkıştırılabilirliği, doğal suların hareketinin hidrodinamik analizini önemli ölçüde basitleştirmeyi mümkün kılar.

İnce askıdaki çökeltilerin suyun fiziksel özellikleri ve özellikle yoğunluğu üzerindeki etkisi henüz yeterince araştırılmamıştır. Su ve tortunun artık ayrı ayrı düşünülemeyeceği durumlarda, suyun yoğunluğunun yalnızca olağanüstü yüksek konsantrasyondaki çok ince askıdaki maddelerden etkilenebileceğine inanılmaktadır. Bu nedenle, yalnızca %20-30 oranında su içeren bazı çamur akıntısı türleri esasen yoğunluğu arttırılmış bir kil çözeltisidir. Küçük çökeltilerin yoğunluk üzerindeki etkisinin bir başka örneği de Sarı Nehir Körfezi'ne akan Sarı Nehir sularıdır. Çok yüksek ince çökelti içeriğine (220 kg/m3'e kadar) sahip olan nehir bulanık sularının yoğunluğu deniz suyundan 2-2,5 kg/m3 daha fazladır (gerçek tuzluluk ve sıcaklıktaki yoğunlukları yaklaşık 1018 kg/m3'tür). Bu nedenle derinliğe "dalarlar" ve deniz tabanı boyunca alçalarak "yoğun" veya "bulanık" bir akış oluştururlar.

Ve burada ikinci kategoriye geçebiliriz. Kelimenin altında "buz" Suyun katı faz durumunu anlamaya alışkınız. Ancak bunun yanında başka maddeler de donmaya maruz kalır. Böylece buz, orijinal maddenin kimyasal bileşimi, örneğin karbondioksit, amonyak, metan buzu ve diğerleri ile ayırt edilebilir.

Üçüncüsü, oluşumu termodinamik bir faktör tarafından belirlenen su buzunun kristal kafesleri (modifikasyonları) vardır. Bu yazımızda biraz onlardan bahsedeceğiz.

Buz yazısında suyun yapısının toplanma durumundaki değişiklikle nasıl yeniden yapılanmaya uğradığını inceledik ve sıradan buzun kristal yapısına değindik. Su molekülünün kendi iç yapısı ve tüm molekülleri düzenli bir sisteme bağlayan hidrojen bağları sayesinde, altıgen (altıgen) bir kristal buz kafesi oluşur. Birbirine en yakın moleküller (bir merkezi ve dört köşe), altıgen kristal modifikasyonunun temelini oluşturan üç yüzlü piramit veya tetrahedron şeklinde düzenlenmiştir ( Şekil 1).

Bu arada Maddenin en küçük parçacıkları arasındaki mesafe nanometre (nm) veya angstrom (adını 19. yüzyıl İsveçli fizikçi Anders Jonas Ångström'den alır; Å sembolüyle gösterilir) cinsinden ölçülür. 1 Å = 0,1 nm = 10−10 m.

Sıradan buzun bu altıgen yapısı tüm hacmine kadar uzanır. Bunu çıplak gözle açıkça görebilirsiniz: Kışın kar yağarken, kolunuza veya eldiveninize bir kar tanesi yakalayın ve şekline daha yakından bakın - altı ışınlı veya altıgendir. Bu, her kar tanesi için tipiktir, ancak hiçbir kar tanesi bir diğerini tekrarlamaz (bununla ilgili daha fazla bilgiyi makalemizde bulabilirsiniz). Ve dış şekilleriyle büyük buz kristalleri bile iç moleküler yapıya karşılık gelir ( İncir. 2).

Bir maddenin, özellikle suyun, bir durumdan diğerine geçişinin belirli koşullar altında gerçekleştiğini daha önce söylemiştik. Normal buz, 0°C ve altındaki sıcaklıklarda ve 1 atmosfer basınçta (normal değer) oluşur. Sonuç olarak, buzun diğer modifikasyonlarının ortaya çıkması için bu değerlerde bir değişiklik gereklidir ve çoğu durumda, hidrojen bağlarının açısının değiştiği ve tüm kristal kafesin yeniden yapılandırıldığı düşük sıcaklıkların ve yüksek basıncın varlığı gerekir.

Buzun her modifikasyonu belirli bir sisteme aittir; birim hücrelerin aynı simetriye ve koordinat sistemine (XYZ eksenleri) sahip olduğu bir kristal grubu. Toplamda yedi syngonie ayırt edilir. Her birinin özellikleri burada sunulmaktadır. çizimler 3-4. Ve hemen aşağıda ana kristal formlarının bir görüntüsü var ( Şekil 5)

Buzun sıradan buzdan farklı olan tüm modifikasyonları laboratuvar koşullarında elde edildi. Buzun ilk polimorfik yapıları 20. yüzyılın başında bilim adamlarının çabalarıyla tanındı. Gustav Heinrich Tammann Ve Percy Williams Bridgman. Bridgman'ın değişiklik şemasına periyodik olarak eklemeler yapıldı. Daha önce elde edilenlerden yeni değişiklikler belirlendi. Diyagramdaki en son değişiklikler zamanımızda yapıldı. Şu ana kadar on altı kristal buz türü elde edildi. Her türün kendi adı vardır ve bir Romen rakamıyla gösterilir.

Sevgili okuyucular, sizi bilimsel ayrıntılarla sıkmamak için, su buzunun her moleküler tipinin fiziksel özelliklerine derinlemesine girmeyeceğiz; sadece ana parametreleri not edeceğiz.

Sıradan buza buz Ih denir (“h” öneki altıgen sistem anlamına gelir). Açık çizimler 7şekli farklı olan altıgen bağlardan (heksamerler) oluşan kristal yapısı sunulur - bir formda şezlong(İngilizce) sandalye formu), formdaki başka bir kaleler (tekne şeklinde). Bu heksamerler üç boyutlu bir bölüm oluşturur - iki "şezlong" üstte ve altta yataydır ve üç "tekne" dikey konumdadır.

Uzaysal diyagram buzun hidrojen bağlarının düzenindeki sırayı gösterir Ah, ancak gerçekte bağlantılar rastgele kurulur. Ancak bilim insanları altıgen buzun yüzeyindeki hidrojen bağlarının yapının içine göre daha düzenli olduğunu göz ardı etmiyor.

Altıgen buzun birim hücresi (yani, üç boyutta tekrar tekrar çoğaltılması bir bütün olarak tüm kristal kafesi oluşturan bir kristalin minimum hacmi) 4 su molekülü içerir. Hücre boyutları 4,51Å iki tarafta da a,b Ve 7,35Å c tarafında (diyagramlardaki c tarafı veya ekseni dikey bir yöne sahiptir). Görüldüğü gibi kenarlar arasındaki açılar resim 4: α=β = 90°, γ = 120°. Komşu moleküller arasındaki mesafe 2,76Å.

Altıgen buz kristalleri altıgen plakalar ve sütunlar oluşturur; içlerindeki üst ve alt yüzler taban düzlemleridir ve altı özdeş yan yüze prizmatik ( Şekil 10).

Kristalizasyonun başlaması için gereken minimum su molekülü sayısı yaklaşık olarak 275 (±25). Buz oluşumu büyük ölçüde havayı çevreleyen su kütlesinin içinde değil yüzeyinde meydana gelir. İri buz kristalleri Ah c ekseni yönünde yavaş yavaş oluşurlar, örneğin durgun suda kristal plakalardan dikey olarak aşağıya doğru büyürler veya yana doğru büyümenin zor olduğu koşullarda. Çalkantılı suda veya hızlı bir şekilde donduğunda oluşan ince taneli buz, prizmatik yüzeylerden yönlendirilen büyümeyi hızlandırmıştır. Çevredeki suyun sıcaklığı, buz kristali kafesinin dallanma derecesini belirler.

Boyutları yapının boşluklarına sığmasına izin veren helyum ve hidrojen atomları hariç, suda çözünen madde parçacıkları, normal atmosferik basınçta kristal kafesinden çıkarılır, kristalin yüzeyine zorlanır veya amorf çeşitliliğin mikrokristaller arasında katmanlar oluşturması durumunda (bu konuda daha sonra makalede daha fazla bilgi verilecektir) olduğu gibi. Suyun ardışık donma ve çözülme döngüleri, suyu örneğin gazlar (gazdan arındırma) gibi yabancı maddelerden arındırmak için kullanılabilir.

Buz ile birlikte Ah buz da var IC (kübik sistem), ancak doğada bu tür buzların oluşumu bazen yalnızca atmosferin üst katmanlarında mümkündür. Yapay buz IC Buharın soğutulmuş bir yüzeyde yoğunlaştırılmasıyla suyun anında dondurulmasıyla elde edilir. 80 eksiye 110°C normal atmosferik basınçta metal yüzey. Deney sonucunda kübik şekilli veya oktahedron formundaki kristaller yüzeye düşüyor. Sıradan altıgen buzun sıcaklığını düşürerek ilk modifikasyonun kübik buzunu oluşturmak mümkün olmayacaktır, ancak kübikten altıgene geçiş buzun ısıtılmasıyla mümkündür. IC daha yüksek eksi 80°С.

Buzun moleküler yapısında IC hidrojen bağı açısı sıradan buzunkiyle aynıdır Ih – 109,5°. Ve burada bir buz kafesindeki moleküllerin oluşturduğu altıgen bir halka var IC sadece şezlong şeklinde mevcuttur.

Buz Ic'nin yoğunluğu 1 atm basınçta 0,92 g/cm³'tür. Kübik kristaldeki birim hücre 8 moleküle ve boyutlara sahiptir: a=b=c = 6,35 Å ve açıları α=β=γ = 90°.

Bir notta. Sevgili okuyucular, bu yazıda bir veya daha fazla buz türü için sıcaklık ve basınç göstergeleri ile defalarca karşılaşacağız. Ve santigrat derece cinsinden ifade edilen sıcaklık değerleri herkes için anlaşılırsa o zaman basınç değerlerinin algılanması da bazıları için zor olabilir. Fizikte bunu ölçmek için çeşitli birimler kullanılır, ancak yazımızda değerleri yuvarlayarak atmosfer (atm) cinsinden ifade edeceğiz. Normal atmosferik basınç 1 atm'dir, bu da 760 mmHg'ye eşittir veya 1 barın veya 0,1 MPa'nın (megapascal) biraz üzerindedir.

Özellikle buzlu örnekten anladığınız gibi IC, buzun kristalin modifikasyonlarının varlığı termodinamik denge koşulları altında mümkündür, yani. Herhangi bir kristal buz türünün varlığını belirleyen sıcaklık ve basınç dengesi bozulduğunda bu tür ortadan kaybolarak başka bir değişikliğe dönüşür. Bu termodinamik değerlerin aralığı değişir; her tür için farklıdır. Diğer buz türlerini kesin olarak isimlendirme sırasına göre değil, bu yapısal geçişlerle bağlantılı olarak ele alalım.

buz II Trigonal sisteme aittir. Yaklaşık 3.000 atm basınçta ve yaklaşık eksi 75 ° C sıcaklıkta altıgen tipten veya başka bir modifikasyondan oluşturulabilir ( buz V), eksi 35°C sıcaklıkta basıncı keskin bir şekilde azaltarak. Varoluş II eksi 170°C ve 1 ila 50.000 atm (veya 5 gigapaskal (GPa)) arasındaki basınç koşullarında buz tipi mümkündür. Bilim adamlarına göre, bu modifikasyonun buzları muhtemelen güneş sisteminin uzak gezegenlerinin buzlu uydularının bir parçası olabilir. Normal atmosferik basınç ve eksi 113°C'nin üzerindeki sıcaklıklar, bu tür buzun sıradan altıgen buza dönüşmesi için koşullar yaratır.

Açık çizimler 13 gösterilen buz kristali kafesi II. Yapının karakteristik bir özelliği görülebilir - moleküler bağların oluşturduğu bir tür içi boş altıgen kanal. Birim hücre (resimde baklava deseniyle vurgulanan alan), tabiri caizse "yükseklikte" birbirine göre kaydırılan iki bağdan oluşur. Sonuç olarak, eşkenar dörtgen bir kafes sistemi oluşur. Hücre boyutları a=b=c = 7,78 Å; α=β=γ = 113,1°. Bir hücrede 12 molekül vardır. Moleküller arasındaki bağ açısı (O–O–O) 80 ila 120° arasında değişir.

Modifikasyon II'yi ısıtırken buz alabilirsiniz III ve tam tersi, buzla soğutma III onu buza çevirir II. ayrıca buz III su sıcaklığının kademeli olarak eksi 23°C'ye düşürülmesi ve basıncın 3.000 atm'ye çıkarılmasıyla oluşur.
Faz diyagramında görüldüğü gibi ( hasta. 6), kararlı bir buz durumu için termodinamik koşullar III ve başka bir değişiklik - buz V, küçükler.

buz III Ve Vçevreleyen modifikasyonlara sahip dört üçlü noktaya sahiptir (farklı madde durumlarının varlığının mümkün olduğu termodinamik değerler). Ancak buz II, III Ve V Normal atmosferik basınç ve eksi 170°C sıcaklık koşulları altında modifikasyonlar mevcut olabilir ve bunları eksi 150°C'ye ısıtmak buz oluşumuna yol açar IC.

Şu anda bilinen diğer yüksek basınç modifikasyonlarıyla karşılaştırıldığında buz III 3.500 atm basınçta en düşük yoğunluğa sahiptir. 1,16 g/cm³'e eşittir.
buz III kristalize suyun dörtgen bir çeşididir, ancak buz kafes yapısının kendisi III ihlalleri var. Her molekül genellikle 4 komşu molekülle çevrelenmişse, bu durumda bu gösterge 3,2 değerine sahip olacaktır ve ayrıca yakınlarda hidrojen bağları olmayan 2 veya 3 molekül daha olabilir.
Uzaysal düzenlemede moleküller sağ yönlü sarmallar oluşturur.
Eksi 23°C'de ve yaklaşık 2800 atm'de 12 moleküllü bir birim hücrenin boyutları: a=b = 6,66, c = 6,93 Å; α=β=γ = 90°. Hidrojen bağı açısı 87 ila 141° arasında değişir.

Açık çizimler 15 buzun moleküler yapısının uzaysal bir diyagramı geleneksel olarak sunulur III. İzleyiciye daha yakın olan moleküller (mavi noktalar) daha büyük gösterilir ve hidrojen bağları (kırmızı çizgiler) buna uygun olarak daha kalındır.

Ve şimdi, dedikleri gibi, hemen peşimizde, buzun ardından gelenlerin üzerinden "atlayalım" III isimlendirme sırasına göre kristal modifikasyonları ve buz hakkında birkaç söz söyleyelim IX.
Bu buz türü aslında değiştirilmiş buzdur III buza dönüşmemesi için eksi 65 °C'den eksi 108 °C'ye kadar hızlı derin soğutmaya tabi tutulur II. buz IX 133°C'nin altındaki sıcaklıklarda ve 2.000 ila 4.000 atm arasındaki basınçlarda stabil kalır. Yoğunluğu ve yapısı aynıdır III zihin, ama buzun aksine III buz yapısında IX Protonların dizilişinde bir düzen vardır.
Buz Isıtma IX orijinaline döndürmez III değişiklikler, ancak buza dönüşüyor II. Hücre boyutları: a=b = 6,69, c = 6,71 Å, eksi 108°C sıcaklıkta ve 2800 atm'de.

Bu arada Bilimkurgu yazarı Kurt Vonnegut'un 1963 tarihli Kedi Beşiği romanı, su ile temas ettiğinde kristalleşerek buz-dokuz'a dönüştüğü için yaşam için büyük tehlike oluşturan insan yapımı bir malzeme olarak tanımlanan buz-dokuz adı verilen bir madde etrafında dönüyor. Bu maddenin çok küçük bir miktarının bile dünya okyanuslarına bakan doğal sulara girmesi, gezegendeki tüm suyun donması tehlikesini doğurmakta, bu da tüm canlıların ölümü anlamına gelmektedir. Sonunda olan budur.

Buz IV bir kristal kafesin yarı kararlı (zayıf kararlı) bir trigonal oluşumudur. Buzun faz uzayında varlığı mümkündür III, V Ve VI değişiklikler. Biraz buz al IV Yüksek yoğunluklu amorf buzun, 8.000 atm sabit basınçta eksi 130°C'den başlayarak yavaş yavaş ısıtılmasıyla yapılabilir.
Eşkenar dörtgen birim hücrenin boyutu 7,60 Å, açıları α=β=γ = 70,1°'dir. Hücre 16 molekül içerir; Moleküller arasındaki hidrojen bağları asimetriktir. 1 atm basınçta ve eksi 163°C sıcaklıkta buz IV'ün yoğunluğu 1,27 g/cm³'tür. O–O–O bağ açısı: 88–128°.

Aynı şekilde IV buz oluşturan buz türü XII– yüksek yoğunluklu amorf bir modifikasyonu (bununla ilgili daha fazla bilgi aşağıdadır) 8.000 atm'lik aynı basınçta, ancak daha yüksek bir hızda eksi 196'dan eksi 90°C'ye ısıtarak.
buz XII faz bölgesinde de yarı kararlı V Ve VI kristal türleri. Bir çeşit tetragonal sistemdir.
Birim hücre, 84-135° açılı hidrojen bağları nedeniyle kristal kafeste yer alan ve sağ yönlü çift sarmal oluşturan 12 molekül içerir. Hücrenin boyutları vardır: a=b = 8,27, c = 4,02 Å; açıları α=β=γ = 90°. Buz XII'nin yoğunluğu, normal atmosfer basıncında ve eksi 146°C sıcaklıkta 1,30 g/cm³'tür. Hidrojen bağı açıları: 67–132°.

Su buzunun şu anda keşfedilen modifikasyonları arasında buz, en karmaşık kristal yapıya sahiptir. V. Birim hücresini 28 molekül oluşturur; Hidrojen bağları diğer moleküler bileşiklerdeki boşlukları kapsar ve bazı moleküller yalnızca belirli bileşiklerle bağ oluşturur. Komşu moleküller arasındaki hidrojen bağlarının açısı büyük ölçüde değişir - 86 ila 132° arasında, bu nedenle buzun kristal kafesinde V Güçlü bir gerilim ve büyük bir enerji kaynağı var.
Normal atmosferik basınç ve sıcaklık eksi 175°C koşulları altındaki hücre parametreleri: a= 9.22, b= 7.54, c= 10.35 Å; α=β = 90°, γ = 109,2°.
buz V yaklaşık 5.000 atm basınçta suyun eksi 20°C'ye kadar soğutulmasıyla oluşturulan monoklinik bir çeşittir. 3.500 atm basınç dikkate alındığında kristal kafesin yoğunluğu 1,24 g/cm³'tür.
Buz kristali kafesinin uzaysal diyagramı V gösterilen tür çizimler 18. Kristalin birim hücresinin bölgesi gri bir çerçeveyle vurgulanmıştır.

Buzun yapısındaki protonların düzenli dizilişi V onu buz adı verilen başka bir çeşit haline getiriyor XIII. Bu monoklinik modifikasyon, faz geçişini kolaylaştırmak için hidroklorik asit (HCl) ilavesiyle suyun eksi 143°C'nin altına soğutulması ve 5.000 atm'lik bir basınç yaratılmasıyla elde edilebilir. Tersine çevrilebilir geçiş XIII k tipi V Eksi 193°C ila eksi 153°C sıcaklık aralığında tip mümkündür.
Buzun birim hücresinin boyutları XIII biraz farklı V modifikasyonlar: a= 9,24, b= 7,47, c= 10,30 Å; α=β = 90°, γ= 109,7° (1 atm'de, eksi 193°С). Hücredeki molekül sayısı aynı - 28. Hidrojen bağlarının açısı: 82–135°.

Yazımızın bir sonraki bölümünde su buzunun modifikasyonlarını incelemeye devam edeceğiz.

Blogumuzun sayfalarında görüşmek üzere!

SU VE SU BUHARININ TERMODİNAMİK ÖZELLİKLERİ

"Su" terimiyle olası faz durumlarından herhangi birinde H2O'yu kastediyoruz.

Doğada su olabilir üç durumda: tv.(buz, kar), l. (su), g.(buhar).

Enerjisiz suyu düşünün. çevre ile etkileşim Ölürüz. Denge halinde.

Buzun veya sıvının yüzeyinde her zaman buhar bulunur. Temas eden fazlar t/d dengesindedir: hızlı moleküller sıvı fazdan uçarak yüzey kuvvetlerini yener ve yavaş moleküller buhar fazından sıvıya geçer. faz.

Denge durumunda, her T belirli bir buhar basıncına karşılık gelir - toplam (sıvı üzerinde yalnızca buhar varsa) veya kısmi (buharın hava veya diğer gazlarla karışımı varsa).

Sıvı ile dengede olan buhar. oluştuğu faz doymuştur ve karşılık gelen T, T doygunluğudur ve basınç–p doygunluğu.

Suyun dengesiz durumları:

a) Sıvının üzerindeki buhar basıncının doyma basıncının altına düşmesine izin verin. Bu durumda denge bozulur, en hızlı moleküller nedeniyle maddenin faz arayüzü üzerinden sıvı fazdan gaz fazına telafisiz bir geçişi meydana gelir.

Bir maddenin sıvıdan telafisiz geçiş süreci. şehirdeki aşamalar - buharlaşma.

Bir maddenin katı fazdan gaz fazına telafisiz geçiş sürecine denir. süblimasyon veya süblimasyon .

Buharlaşma veya süblimleşmenin yoğunluğu, ortaya çıkan buharın yoğun bir şekilde uzaklaştırılmasıyla artar. Bu durumda, en yüksek enerjiye sahip moleküllerin ayrılmasından dolayı sıvı fazın sıcaklığı düşer. Bu, basıncı düşürmeden, yalnızca bir hava akımı üfleyerek başarılabilir.

b) Açık bir kaptaki sıvıya ısı verilmesini sağlayın. Bu durumda, T ve buna bağlı olarak, sıvının üzerindeki doymuş buharın p'si artar ve tam dış basınca ulaşabilir (P = P n).P = P n olması durumunda, ısıtma yüzeyinde, sıvının T'si burada hakim basınçta doymuş buharın T'sinin üzerine çıkar. sıvının kalınlığında buhar oluşumu için koşullar yaratılır.

Bir maddenin sıvı fazdan doğrudan sıvı içerisinde buhar fazına geçiş sürecine denir. kaynamak.

Bir sıvının kalınlığında buhar kabarcıklarının çekirdeklenmesi süreci karmaşıktır. Suyun kaynaması için, ısı kaynağının yüzeyinde buharlaşma merkezlerinin (çöküntüler, çıkıntılar, düzensizlikler vb.) olması gerekir. Isıtma yüzeyinde, kaynama sırasında, burada hakim basınçta su ve doymuş buhar arasındaki T farkı, ısı kaynağının yoğunluğuna bağlıdır ve onlarca dereceye ulaşabilir.

Bir sıvının yüzey gerilimi kuvvetlerinin etkisi, üzerindeki doymuş buharın sıcaklığına göre 0,3-1,5 o C kadar kaynadığında, sıvının faz arayüzünde aşırı ısınmasına neden olur.

Bir maddenin sıvı fazdan buhar fazına geçişine ilişkin herhangi bir işlem - buharlaşma.

Buharlaşmanın tersi olan süreç, yani. bir maddenin buhar fazından sıvı faza telafisiz geçişi - yoğunlaşma.

Sabit buhar basıncında, sabit sıcaklıkta yoğuşma (kaynama gibi) meydana gelir ve sistemden ısının uzaklaştırılmasının bir sonucudur.

Süblimleşmenin tersi olan süreç, yani. Bir maddenin buhar fazından doğrudan katı faza geçişi - desüblime etme.

Suyun kaynama noktasındaki sıvı haline denir sıvıya doymuş .

Kaynama (doyma) sıcaklığındaki buhara denir kuru doymuş buhar .

Doyma durumunda iki fazlı karışım "l+p" - nemli doymuş buhar.

T/d'de bu terim, doymuş buharın sıvı seviyesinin üzerinde olabildiği veya içinde asılı sıvı damlacıkları bulunan bir buhar karışımını temsil ettiği iki fazlı sistemler için geçerlidir. Islak doymuş buharı karakterize etmek için kullanılır kavram kuruluk derecesi Xkuru doymuş buharın kütlesinin oranıdır,m sn.p, karışımın toplam kütlesine,m cm = m s.n.p + m w.s.n., doymuş durumdaki sıvı ile:

Doymuş haldeki suyun sıvı fazının kütlesinin karışımın kütlesine oranı nem derecesi denir (1'ler):

Nemli doymuş buhara sabit p değerinde ısı sağlanması l geçişine yol açar. p'deki karışımın fazı Bu durumda karışımın T'si (doygunluk) olmayabilir tüm sıvı buhara dönüşene kadar artırıldı. Doyma durumunda yalnızca buhar fazına daha fazla ısı verilmesi buharın T değerinde bir artışa yol açar.

Belirli bir basınçta, doyma sıcaklığının üzerinde bir sıcaklığa sahip olan buhara denir. kızgın buhar. Kızgın buharın sıcaklık farkı T ve aynı basınçta doymuş buhar t n isminde buharın aşırı ısınma derecesi Dt p = t -t n.

Buharın aşırı ısınma derecesi arttıkça hacmi artar, molekül konsantrasyonu azalır ve özellikleri gazlarınkine yaklaşır.

6.2. H 2 O için faz diyagramları P,t-, P,v- ve T,s

H2O durumundaki çeşitli t/d değişim süreçlerini analiz etmek için faz diyagramları yaygın olarak kullanılır.

Faz diyagramı (veya faz diyagramı), bir sistemin durumunu karakterize eden nicelikler ile sistemdeki faz dönüşümleri (katıdan sıvıya, sıvıdan gaza geçiş vb.) arasındaki ilişkinin grafiksel bir temsilidir.

Pirinç. 72. Buz yapısının şeması.

Pirinç. 73. Alçak basınç bölgesindeki suyun durumunun diyagramı.

Pirinç. 74. Su buharı ile dengede olan bir su silindiri.

Faz diyagramları kimyada yaygın olarak kullanılmaktadır. Tek bileşenli sistemler için genellikle faz dönüşümlerinin sıcaklık ve basınca bağımlılığını gösteren faz diyagramları kullanılır; bunlara P-T koordinatlarında faz diyagramları denir.

İncirde. Şekil 73, suyun durumunun bir diyagramını şematik biçimde (ölçeğe sıkı sıkıya bağlı kalmadan) göstermektedir. Diyagramdaki herhangi bir nokta belirli sıcaklık ve basınç değerlerine karşılık gelir.

Diyagram, belirli sıcaklık ve basınç değerlerinde termodinamik olarak kararlı olan suyun durumlarını göstermektedir. Olası tüm sıcaklık ve basınçları buz, sıvı ve buhara karşılık gelen üç bölgeye ayıran üç eğriden oluşur.

Eğrilerin her birine daha ayrıntılı olarak bakalım. Buhar bölgesini sıvı bölgeden ayıran OA eğrisiyle (Şekil 73) başlayalım. İçinden havanın çıkarıldığı ve ardından gazlar dahil çözünmüş maddeler içermeyen belirli miktarda temiz suyun içine verildiği bir silindiri hayal edelim; silindir belirli bir pozisyonda sabitlenmiş bir pistonla donatılmıştır (Şek. 74). Bir süre sonra suyun bir kısmı buharlaşacak ve yüzeyinin üzerinde doymuş buhar oluşacaktır. Basıncını ölçerek zamanla değişmediğinden ve pistonun konumuna bağlı olmadığından emin olabilirsiniz. Tüm sistemin sıcaklığını arttırıp doymuş buhar basıncını tekrar ölçersek arttığı ortaya çıkacaktır. Bu tür ölçümleri farklı sıcaklıklarda tekrarlayarak doymuş su buharı basıncının sıcaklığa bağımlılığını bulacağız. OA eğrisi bu ilişkinin bir grafiğidir: eğrinin noktaları, sıvı su ve su buharının birbirleriyle dengede olduğu sıcaklık ve basınç değerleri çiftlerini gösterir - bir arada bulunurlar. OA eğrisine sıvı-buhar denge eğrisi veya kaynama eğrisi denir. Masada Şekil 8 (s. 202), çeşitli sıcaklıklarda doymuş su buharının basınç değerlerini göstermektedir.

Silindirde denge basıncından farklı, örneğin denge basıncından daha düşük bir basınç yaratmaya çalışalım. Bunu yapmak için pistonu serbest bırakın ve kaldırın. İlk anda silindirdeki basınç gerçekten düşecek, ancak kısa süre sonra denge yeniden sağlanacak: ilave miktarda su buharlaşacak ve basınç yeniden denge değerine ulaşacak. Ancak suyun tamamı buharlaştığında dengeden daha düşük bir basınca ulaşılabilir. OA eğrisinin altındaki veya sağındaki faz diyagramında yer alan noktaların buhar bölgesine karşılık geldiği anlaşılmaktadır.

Tablo 8. Çeşitli sıcaklıklarda doymuş su buharı basıncı

Dengeden daha büyük bir basınç oluşturmaya çalışırsanız, bu ancak pistonun su yüzeyine indirilmesiyle sağlanabilir. Başka bir deyişle, diyagramın OA eğrisinin üstünde veya solunda yer alan noktaları sıvı durum bölgesine karşılık gelir.

Sıvı ve buhar hallerinin bölgeleri sola ne kadar uzanır? Her iki alanda da birer nokta işaretleyip oradan yatay olarak sola doğru hareket edelim. Diyagramdaki noktaların bu hareketi, sabit basınçtaki sıvının veya buharın soğumasına karşılık gelir. Suyu normal atmosfer basıncında soğutursanız, ona ulaştığında suyun donmaya başlayacağı bilinmektedir. Diğer basınçlarda da benzer deneyler yaparak sıvı su bölgesini buz bölgesinden ayıran OS eğrisine ulaşıyoruz. Bu eğri - katı-sıvı denge eğrisi veya erime eğrisi - buz ve sıvı suyun dengede olduğu sıcaklık ve basınç değerleri çiftlerini gösterir.

Buhar bölgesinde (diyagramın alt kısmında) yatay olarak sola doğru hareket ederek benzer şekilde OB eğrisine ulaşırız. Bu katı hal-buhar denge eğrisi veya süblimleşme eğrisidir. Buz ve su buharının dengede olduğu sıcaklık ve basınç değerleri çiftlerine karşılık gelir.

Her üç eğri de O noktasında kesişir. Bu noktanın koordinatları, üç fazın da dengede olabileceği tek sıcaklık ve basınç değeri çiftidir: buz, sıvı su ve buhar. Buna üçlü nokta denir.

Erime eğrisi çok yüksek basınçlara kadar incelenmiştir. Bu alanda çeşitli buz değişiklikleri keşfedildi (şemada gösterilmemiştir).

Sağda kaynama eğrisi kritik noktada bitiyor. Bu noktaya (kritik sıcaklık) karşılık gelen sıcaklıkta, sıvı ve buharın fiziksel özelliklerini karakterize eden miktarlar aynı hale gelir, böylece sıvı ve buhar halleri arasındaki fark ortadan kalkar.

Kritik bir sıcaklığın varlığı, 1860 yılında sıvıların özelliklerini inceleyen D.I. Mendeleev tarafından tespit edildi. Kritik sıcaklığın üzerindeki sıcaklıklarda bir maddenin sıvı halde olamayacağını gösterdi. 1869'da gazların özelliklerini inceleyen Andrews da benzer bir sonuca vardı.

Kritik sıcaklık ve basınç farklı maddeler için farklıdır. Yani hidrojen için, klor için, su için.

Suyu diğer maddelerden ayıran özelliklerinden biri de artan basınçla buzun erime noktasının düşmesidir (bkz. § 70). Bu durum diyagrama yansıtılmıştır. Su diyagramındaki OC erime eğrisi sola doğru giderken hemen hemen tüm diğer maddeler için sağa doğru gider.

Atmosfer basıncındaki su ile meydana gelen dönüşümler, diyagrama karşılık gelen yatay çizgi üzerinde yer alan noktalar veya bölümler ile yansıtılır. Bu nedenle, buzun erimesi veya suyun kristalleşmesi D noktasına (Şekil 73), kaynar su - E noktasına, ısıtma veya soğutma suyu - DE segmentine vb. karşılık gelir.

Faz diyagramları, bilimsel veya pratik öneme sahip bir dizi madde için incelenmiştir. Prensip olarak, suyun durumunun dikkate alınan diyagramına benzerler. Ancak çeşitli maddelerin faz diyagramlarında özellikler bulunabilir. Dolayısıyla, üçlü noktası atmosfer basıncını aşan bir basınçta bulunan maddeler bilinmektedir. Bu durumda, kristallerin atmosferik basınçta ısıtılması bu maddenin erimesine değil, süblimleşmesine - katı fazın doğrudan gaz fazına dönüşmesine yol açar;