در ترمودینامیک نقطه سه گانه یک ماده دما و فشاری است که در آن سه فاز ( گاز ، مایع و جامد ) آن ماده در تعادل ترمودینامیکی همزیستی دارند . [1] آن دما و فشاری است که در آن منحنی های تصعید ، همجوشی و تبخیر به هم می رسند. به عنوان مثال، نقطه سه گانه جیوه در دمای 38.8- درجه سانتی گراد (37.8- درجه فارنهایت) و فشار 0.165 متر پاسکال رخ می دهد .
علاوه بر نقطه سه گانه برای فازهای جامد، مایع و گاز، یک نقطه سه گانه ممکن است بیش از یک فاز جامد را شامل شود، برای مواد با چند شکلی . هلیوم-4 از این جهت غیرمعمول است که منحنی تصعید/رسوب ندارد و بنابراین هیچ نقطه سه گانه ای ندارد که در آن فاز جامد آن با فاز گاز خود ملاقات کند. در عوض، دارای یک نقطه بخار-مایع- فوق سیال ، یک نقطه جامد-مایع-فوق سیال، یک نقطه جامد-جامد-مایع و یک نقطه جامد-جامد-فوق سیال است. هیچ یک از اینها نباید با نقطه لامبدا اشتباه گرفته شود ، که هر نوع نقطه سه گانه نیست.
اصطلاح "نقطه سه گانه" در سال 1873 توسط جیمز تامسون ، برادر لرد کلوین ابداع شد . [2] نقاط سه گانه چندین ماده برای تعریف نقاط در مقیاس دمایی بین المللی ITS-90 ، از نقطه سه گانه هیدروژن (13.8033 K) تا نقطه سه گانه آب (273.16 K، 0.01 درجه سانتی گراد، یا 32.018) استفاده می شود. درجه فارنهایت).
قبل از سال 2019، نقطه سه گانه آب برای تعریف کلوین ، واحد پایه دمای ترمودینامیکی در سیستم بین المللی واحدها (SI) استفاده می شد. [3] کلوین به گونه ای تعریف شد که نقطه سه گانه آب دقیقاً 273.16 K باشد، اما با تجدید نظر SI در سال 2019 تغییر کرد ، جایی که کلوین دوباره تعریف شد به طوری که ثابت بولتزمن دقیقاً برابر است.1.380 649 × 10-23 J⋅K -1 ، و نقطه سه گانه آب به یک ثابت اندازه گیری تجربی تبدیل شد .
پس از بازنگری SI در سال 2019، ارزش نقطه سه گانه آب دیگر به عنوان نقطه تعیین کننده استفاده نمی شود. با این حال، ارزش تجربی آن همچنان مهم است: ترکیب منحصربه‌فرد فشار و دما که در آن آب مایع، یخ جامد و بخار آب در یک تعادل پایدار همزیستی می‌کنند، تقریباً0.0001 ± 273.16 K [4] و فشار بخار 611.657 پاسکال (6.11657 mbar؛ 0.00603659 atm). [5] [6]
آب مایع فقط می تواند در فشارهای مساوی یا بیشتر از نقطه سه گانه وجود داشته باشد. در زیر آن، در خلاء فضای بیرونی ، یخ جامد تصعید می‌شود و وقتی با فشار ثابت گرم می‌شود، مستقیماً به بخار آب تبدیل می‌شود. برعکس، در بالای نقطه سه گانه، یخ جامد ابتدا با حرارت دادن با فشار ثابت به آب مایع ذوب می شود، سپس تبخیر می شود یا می جوشد تا در دمای بالاتر بخار ایجاد کند.
برای اکثر مواد، نقطه سه گانه گاز-مایع-جامد حداقل دمایی است که مایع می تواند وجود داشته باشد. برای آب، این مورد نیست. نقطه ذوب یخ‌های معمولی با فشار کاهش می‌یابد، همانطور که در نمودار فاز سبز خط چین نشان داده شده است. درست زیر نقطه سه گانه، فشرده سازی در دمای ثابت بخار آب را ابتدا به جامد و سپس به مایع تبدیل می کند.
از لحاظ تاریخی، در طول ماموریت مارینر 9 به مریخ ، فشار نقطه سه گانه آب برای تعریف "سطح دریا" استفاده می شد. اکنون، ارتفاع‌سنجی لیزری و اندازه‌گیری‌های گرانشی برای تعریف ارتفاع مریخ ترجیح داده می‌شوند. [7]
در فشارهای بالا، آب یک نمودار فاز پیچیده با 15 فاز شناخته شده یخ و چندین نقطه سه گانه دارد، از جمله 10 نقطه که مختصات آن در نمودار نشان داده شده است. به عنوان مثال، نقطه سه گانه در 251 K (22- درجه سانتیگراد) و 210 مگاپاسکال (2070 اتمسفر) با شرایط همزیستی یخ Ih (یخ معمولی)، یخ III و آب مایع، همه در حالت تعادل مطابقت دارد. همچنین نقاط سه گانه برای همزیستی سه فاز جامد، به عنوان مثال ice II ، ice V و ice VI در دمای 218 K (-55 درجه سانتیگراد) و 620 MPa (6120 atm) وجود دارد.
برای آن دسته از اشکال پرفشار یخ که می توانند در تعادل با مایع وجود داشته باشند، نمودار نشان می دهد که نقاط ذوب با فشار افزایش می یابد. در دماهای بالاتر از 273 کلوین (0 درجه سانتیگراد)، افزایش فشار روی بخار آب، ابتدا به آب مایع و سپس یک فرم فشار بالا از یخ منجر می شود. در محدوده251-273 K ، ابتدا یخ I تشکیل می شود، سپس آب مایع و سپس یخ III یا یخ V، و سپس سایر اشکال فشار بالا هنوز متراکم تر تشکیل می شود.
از سلول های سه نقطه ای در کالیبراسیون دماسنج ها استفاده می شود . برای انجام کارهای دقیق، سلول های سه نقطه ای معمولاً با یک ماده شیمیایی بسیار خالص مانند هیدروژن، آرگون، جیوه یا آب (بسته به دمای مورد نظر) پر می شوند. خلوص این مواد می تواند به حدی باشد که تنها یک قسمت از یک میلیون آن آلاینده باشد که به آن "شش نه" می گویند زیرا 99.9999 درصد خالص است. یک ترکیب ایزوتوپی خاص (برای آب، VSMOW ) استفاده می شود زیرا تغییرات در ترکیب ایزوتوپی باعث تغییرات کوچک در نقطه سه گانه می شود. سلول های سه نقطه ای آنقدر در دستیابی به دماهای بسیار دقیق و قابل تکرار موثر هستند، به طوری که یک استاندارد کالیبراسیون بین المللی برای دماسنج ها به نام ITS-90 بر سلول های سه نقطه ای هیدروژن ، نئون ، اکسیژن ، آرگون ، جیوه و آب برای ترسیم شش مورد از آن متکی است. نقاط دمایی تعریف شده
این جدول نقاط سه گانه گاز-مایع-جامد چند ماده را فهرست می کند. مگر اینکه غیر از این ذکر شود، داده ها از اداره ملی استاندارد ایالات متحده (در حال حاضر NIST ، موسسه ملی استاندارد و فناوری) آمده است. [9]
یادداشت ها:
رسانه‌های مربوط به Triple Point در ویکی‌مدیا کامانز