ข้ามไปเนื้อหา

จุดร่วมสาม

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี
แผนภาพเฟสทั่วไปเส้นสีเขียวทึบใช้กับสารส่วนใหญ่ ส่วนเส้นประสีเขียวแสดงถึงพฤติกรรมผิดปกติของน้ำ

จุดร่วมสาม (Triple point) ในอุณหพลศาสตร์ คืออุณหภูมิและความดันที่พอดีที่ทำให้สารสามารถอยู่ในสถานะทั้งของแข็ง ของเหลว และแก๊ส พร้อมกันได้อย่างสมดุล[1]คืออุณหภูมิและความดันที่เส้นโค้งการระเหิด, การหลอมเหลว, และการกลายเป็นไอมาบรรจบกัน ยกตัวอย่างเช่น จุดร่วมสามของปรอทเกิดขึ้นที่อุณหภูมิ −38.8 องศาเซลเซียส (หรือ −37.8 องศาฟาเรนไฮต์) และความดัน 0.165 มิลลิปาสกาล

นอกจากจุดร่วมสามที่สารสามารถอยู่ในสถานะของแข็ง ของเหลว และแก๊สพร้อมกันแล้ว สารบางชนิดที่มีรูปผลึกหลายแบบ (พอลิมอร์ฟ) ยังสามารถมีจุดร่วมสามที่เกี่ยวข้องกับสถานะของแข็งมากกว่าหนึ่งสถานะได้อีกด้วย เช่น ฮีเลียม-4 ที่เป็นกรณีที่ไม่มีเส้นกราฟการระเหิด/การตกผลึก และดังนั้นจึงไม่มีจุดร่วมสามที่สถานะของแข็งตัดกับสถานะแก๊ส แต่จะมีจุดร่วมสามที่เป็นจุดที่เส้นกราฟของของเหลว-ซูเปอร์ฟลูอิด สถานะของแข็ง-ของเหลว-ซูเปอร์ฟลูอิด และจุดที่เส้นกราฟของสถานะของแข็ง-ของแข็ง-ของเหลวตัดกัน ทั้งนี้ต้องไม่สับสนกับ จุดแลมบ์ดา ซึ่งไม่ใช่จุดร่วมสามในทางใดทางหนึ่ง

คำว่า "จุดร่วมสาม" ถูกบัญญัติขึ้นในปี ค.ศ. 1873 โดย เจมส์ ทอมสัน พี่ชายของ วิลเลียม ทอมสัน บารอนเคลวินที่ 1[2] จุดร่วมสามของสารหลายชนิดถูกใช้เพื่อกำหนดจุดต่าง ๆ ใน ITS-90 สเกลอุณหภูมิสากล, ซึ่งมีตั้งแต่จุดร่วมสามของไฮโดรเจน (13.8033 K) จนถึงจุดร่วมสามของน้ำ (273.16 K, 0.01 °C, หรือ 32.018 °F).

ก่อนปี ค.ศ. 2019 จุดร่วมสามของ น้ำ ถูกใช้เพื่อกำหนดนิยามของ เคลวิน หน่วยฐานของ ระบบหน่วยวัดระหว่างประเทศ (SI) ที่ใช้อุณหพลศาสตร์[3] เคลวินถูกกำหนดให้นิยามในลักษณะที่ทำให้จุดร่วมสามของน้ำมีค่าเท่ากับ 273.16 K แต่สิ่งนี้เปลี่ยนแปลงไปตาม การปรับนิยามหน่วยฐาน SI ปี 2019 ซึ่งเคลวินถูกกำหนดให้นิยามใหม่เพื่อให้ ค่าคงตัวบ็อลทซ์มัน มีค่าเท่ากับ 1.380649×10−23 J⋅K−1 และจุดร่วมสามของน้ำกลายเป็นค่าคงที่ที่ต้องวัดผ่านการทดลอง

จุดร่วมสามของน้ำ

[แก้]
น้ำเดือดที่ 0°C โดยใช้ปั๊มสุญญากาศ

จากการกำหนดนิยามหน่วยฐาน SI ใหม่ในปี 2019 ค่าอุณหภูมิของจุดสามสถานะของน้ำไม่ได้ถูกใช้เป็นจุดอ้างอิงอีกต่อไป แต่ค่ายังมีความสำคัญในทางปฏิบัติ: การผสมผสานที่ไม่ซ้ำกันของความดันและอุณหภูมิที่ น้ำ ของเหลว น้ำแข็ง แข็ง และ ไอน้ำ อยู่ร่วมกันในภาวะสมดุลคงที่อยู่ที่ประมาณ 273.16±0.0001 K [4] และความดันไอ 611.657 ปาสกาล (6.11657 มิลลิบาร์; 0.00603659 บรรยากาศมาตรฐาน) [5] [6]

น้ำเหลวสามารถมีอยู่ได้ภายใต้ความดันที่เท่ากับหรือมากกว่าจุดสามเท่าเท่านั้น ด้านล่างนี้ ในสุญญากาศของ อวกาศ น้ำแข็งแข็ง จะระเหิด กลายเป็นไอน้ำโดยตรงเมื่อได้รับความร้อนที่ความดันคงที่ ในทางกลับกัน เหนือจุดสามประการ น้ำแข็งแข็งจะละลายเป็นน้ำของเหลวก่อนเมื่อได้รับความร้อนที่ความดันคงที่ จากนั้นระเหยหรือเดือดกลายเป็นไอที่อุณหภูมิสูงกว่า

สำหรับสารส่วนใหญ่ จุดสามสถานะคืออุณหภูมิต่ำสุดที่ของเหลวสามารถดำรงอยู่ได้ สำหรับน้ำนี่ไม่ใช่กรณี จุดหลอมเหลวของน้ำแข็งธรรมดาจะลดลงตามความดัน ดังที่แสดงด้วยเส้นประสีเขียวใน แผนภาพ เฟส ตรงด้านล่างจุดร่วมสาม การบีบอัดที่อุณหภูมิคงที่จะเปลี่ยนไอน้ำเป็นของ แข็ง ก่อน จากนั้นจึงเป็นของ เหลว

ในอดีต ในระหว่างภารกิจ มาริเนอร์ 9 ไปยัง ดาวอังคาร แรงดันน้ำสามจุดถูกนำมาใช้เพื่อกำหนด "ระดับน้ำทะเล" ปัจจุบัน การวัด ระยะสูงด้วยเลเซอร์ และแรงโน้มถ่วงเป็นที่นิยมในการกำหนดระดับความสูงของดาวอังคาร [7]

เฟสแรงดันสูง

[แก้]

ที่ความดันสูง น้ำจะมี แผนภาพเฟสที่ ซับซ้อนซึ่งประกอบด้วย เฟสของน้ำแข็ง ที่รู้จัก 15 เฟส และจุดสามสถานะหลายจุด รวมทั้ง 10 เฟสที่มีพิกัดแสดงไว้ในแผนภาพ เช่น จุดร่วมสามที่ 251 เค (−22 °C) และ 210 เมกะปาสกาล (2070 atm) สอดคล้องกับเงื่อนไขการอยู่ร่วมกันของ น้ำแข็ง Ih (น้ำแข็งธรรมดา) น้ำแข็ง III และน้ำของเหลว ทั้งหมดอยู่ในภาวะสมดุล ยังมีจุดร่วมสามสำหรับการอยู่ร่วมกันของเฟสของแข็งทั้งสาม เช่น น้ำแข็ง II น้ำแข็ง V และน้ำแข็ง VI ที่ 218 เค (−55 °C) และ 620 เมกะปาสกาล (6120 ATM).

สำหรับน้ำแข็งที่มีแรงดันสูงซึ่งสามารถคงอยู่ในภาวะสมดุลกับของเหลวได้ แผนภาพแสดงให้เห็นว่าจุดหลอมเหลวจะเพิ่มขึ้นตามความดัน ที่อุณหภูมิสูงกว่า 273 เค (0 °C) ทำให้แรงดันไอน้ำเพิ่มขึ้น จนทำให้เกิดน้ำเหลวก่อน จากนั้นจึงเป็นน้ำแข็งที่มีแรงดันสูงในที่สุด ในช่วง 251–273 K น้ำแข็ง I จะก่อตัวก่อน ตามด้วยน้ำของเหลว แล้วจึงตามด้วยน้ำแข็ง III หรือน้ำแข็ง V และตามด้วยรูปแบบอื่น ๆ ที่มีแรงดันสูงและหนาแน่นกว่า

ไดอะแกรมเฟสของน้ำที่รวมรูปแบบแรงดันสูง เช่น น้ำแข็ง II น้ำแข็ง III เป็นต้น แกนความดันเป็นลอการิทึม สำหรับคำอธิบายโดยละเอียดของเฟสเหล่านี้ โปรดดูที่ น้ำแข็ง
จุดสามประการของน้ำ
เฟสที่อยู่ในภาวะสมดุลคงที่ ความดัน อุณหภูมิ
น้ำเหลว, น้ำเข็ง Ih, และไอน้ำ 611.657 ปาสกาล [8] 273.16 กิโล (0.01 องศาเซลเซียส)
น้ำเหลว น้ำแข็ง I และ น้ำแข็ง III 209.9 เมกะปาสกาล 251 กิโล (−22 องศาเซลเซียส)
น้ำเหลว น้ำแข็ง III และ น้ำแข็ง V 350.1 เมกะปาสกาล -17.0 องศาเซลเซียส
น้ำเหลว น้ำแข็ง V และ น้ำแข็ง VI 632.4 เมกะปาสกาล 0.16 องศาเซลเซียส
ไอซ์ 1, ไอซ์ 2 และ ไอซ์ 3 213 เมกะปาสกาล -35 น. องศาเซลเซียส
ไอซ์ II, ไอซ์ III, และไอซ์ V 344 เมกะปาสกาล -24 องศาเซลเซียส
น้ำแข็ง II, น้ำแข็ง V และน้ำแข็ง VI 626 เมกะปาสกาล -70 องศาเซลเซียส

เซลล์สามจุดใช้ใน การสอบเทียบ เทอร์โมมิเตอร์ สำหรับงานที่ต้องการความแม่นยำสูง เซลล์สามจุดมักจะเต็มไปด้วยสารเคมีที่มีความบริสุทธิ์สูง เช่น ไฮโดรเจน อาร์กอน ปรอท หรือน้ำ (ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิที่ต้องการ) ความบริสุทธิ์ของสารเหล่านี้อาจมีได้เพียงหนึ่งส่วนจากล้านส่วนเท่านั้นที่เป็นสารปนเปื้อน เรียกว่า "หกเก้า" เพราะว่ามีความบริสุทธิ์ 99.9999% ใช้องค์ประกอบ ไอโซโทป ที่เฉพาะเจาะจง (สำหรับน้ำ VSMOW) เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงในองค์ประกอบไอโซโทปทำให้จุดสามตัวมีการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อย เซลล์สามจุดมีประสิทธิภาพในการบรรลุอุณหภูมิที่แม่นยำสูงและทำซ้ำได้ จนกระทั่งมาตรฐานการสอบเทียบสากลสำหรับเทอร์โมมิเตอร์ที่เรียกว่า ITS–90 ต้องใช้เซลล์สามจุดของ ไฮโดรเจน นีออน ออกซิเจน อาร์กอน ปรอท และ น้ำ ในการกำหนดจุดอุณหภูมิที่กำหนดไว้ 6 จุด

ตารางจุดสามสถานะ

[แก้]

ตารางนี้แสดงจุดสามสถานะของก๊าซ-ของเหลว-ของแข็งของสารหลายชนิด เว้นแต่จะระบุไว้เป็นอย่างอื่น ข้อมูลจะมาจาก สำนักงานมาตรฐานแห่งชาติ ของสหรัฐอเมริกา (ปัจจุบันคือ NIST หรือ สถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติ) [9]

สาร T [K] (°C) p [kPa]* (atm)
Acetylene 192.4 เคลวิน (−80.7 องศาเซลเซียส) 120 kPa (1.2 atm)
Ammonia 195.40 เคลวิน (−77.75 องศาเซลเซียส) 6.060 kPa (0.05981 atm)
Argon 83.8058 เคลวิน (−189.3442 องศาเซลเซียส) 68.9 kPa (0.680 atm)
Arsenic 1,090 เคลวิน (820 องศาเซลเซียส) 3,628 kPa (35.81 atm)
Butane 134.6 เคลวิน (−138.6 องศาเซลเซียส) 7×10−4 kPa (6.9×10−6 atm)
Carbon (graphite) 4,765 เคลวิน (4,492 องศาเซลเซียส) 10,132 kPa (100.00 atm)
Carbon dioxide 216.55 เคลวิน (−56.60 องศาเซลเซียส) 517 kPa (5.10 atm)
Carbon monoxide 68.10 เคลวิน (−205.05 องศาเซลเซียส) 15.37 kPa (0.1517 atm)
Chloroform[10] 209.61 เคลวิน (−63.54 องศาเซลเซียส) ?
Deuterium 18.63 เคลวิน (−254.52 องศาเซลเซียส) 17.1 kPa (0.169 atm)
Ethane 89.89 เคลวิน (−183.26 องศาเซลเซียส) 1.1×10−3 kPa (1.1×10−5 atm)
Ethanol 150 เคลวิน (−123 องศาเซลเซียส) 4.3×10−7 kPa (4.2×10−9 atm)
Ethylene 104.0 เคลวิน (−169.2 องศาเซลเซียส) 0.12 kPa (0.0012 atm)
Formic acid 281.40 เคลวิน (8.25 องศาเซลเซียส) 2.2 kPa (0.022 atm)
Helium-4 (vapor−He-I−He-II) [11] 2.1768 เคลวิน (−270.9732 องศาเซลเซียส) 5.048 kPa (0.04982 atm)
Helium-4 (hcp−bcc−He-II) [12] 1.463 เคลวิน (−271.687 องศาเซลเซียส) 26.036 kPa (0.25696 atm)
Helium-4 (bcc−He-I−He-II) [12] 1.762 เคลวิน (−271.388 องศาเซลเซียส) 29.725 kPa (0.29336 atm)
Helium-4 (hcp−bcc−He-I) [12] 1.772 เคลวิน (−271.378 องศาเซลเซียส) 30.016 kPa (0.29623 atm)
Hexafluoroethane 173.08 เคลวิน (−100.07 องศาเซลเซียส) 26.60 kPa (0.2625 atm)
Hydrogen 13.8033 เคลวิน (−259.3467 องศาเซลเซียส) 7.04 kPa (0.0695 atm)
Hydrogen-1 (Protium) [13] 13.96 เคลวิน (−259.19 องศาเซลเซียส) 7.18 kPa (0.0709 atm)
Hydrogen chloride 158.96 เคลวิน (−114.19 องศาเซลเซียส) 13.9 kPa (0.137 atm)
Iodine[14] 386.65 เคลวิน (113.50 องศาเซลเซียส) 12.07 kPa (0.1191 atm)
Isobutane 113.55 เคลวิน (−159.60 องศาเซลเซียส) 1.9481×10−5 kPa (1.9226×10−7 atm)
Krypton 115.76 เคลวิน (−157.39 องศาเซลเซียส) 74.12 kPa (0.7315 atm)
Mercury 234.3156 เคลวิน (−38.8344 องศาเซลเซียส) 1.65×10−7 kPa (1.63×10−9 atm)
Methane 90.68 เคลวิน (−182.47 องศาเซลเซียส) 11.7 kPa (0.115 atm)
Neon 24.5561 เคลวิน (−248.5939 องศาเซลเซียส) 43.332 kPa (0.42765 atm)
Nitric oxide 109.50 เคลวิน (−163.65 องศาเซลเซียส) 21.92 kPa (0.2163 atm)
Nitrogen 63.18 เคลวิน (−209.97 องศาเซลเซียส) 12.6 kPa (0.124 atm)
Nitrous oxide 182.34 เคลวิน (−90.81 องศาเซลเซียส) 87.85 kPa (0.8670 atm)
Oxygen 54.3584 เคลวิน (−218.7916 องศาเซลเซียส) 0.14625 kPa (0.0014434 atm)
Palladium 1,825 เคลวิน (1,552 องศาเซลเซียส) 3.5×10−3 kPa (3.5×10−5 atm)
Platinum 2,045 เคลวิน (1,772 องศาเซลเซียส) 2×10−4 kPa (2.0×10−6 atm)
Radon 202 เคลวิน (−71 องศาเซลเซียส) 70 kPa (0.69 atm)
(mono) Silane[15] 88.48 เคลวิน (−184.67 องศาเซลเซียส) 0.019644 kPa (0.00019387 atm)
Sulfur dioxide 197.69 เคลวิน (−75.46 องศาเซลเซียส) 1.67 kPa (0.0165 atm)
Titanium 1,941 เคลวิน (1,668 องศาเซลเซียส) 5.3×10−3 kPa (5.2×10−5 atm)
Uranium hexafluoride 337.17 เคลวิน (64.02 องศาเซลเซียส) 151.7 kPa (1.497 atm)
Water[6] 273.16 เคลวิน (0.01 องศาเซลเซียส) 0.611657 kPa (0.00603659 atm)
Xenon 161.3 เคลวิน (−111.8 องศาเซลเซียส) 81.5 kPa (0.804 atm)
Zinc 692.65 เคลวิน (419.50 องศาเซลเซียส) 0.065 kPa (0.00064 atm)

หมายเหตุ:

  • เพื่อการเปรียบเทียบ ความดันบรรยากาศทั่วไปคือ 101.325 kPa (1 atm)
  • ก่อนจะมีการกำหนดหน่วย SI ใหม่ จุดร่วมสามของน้ำ คือ 273.16 K ถือเป็นตัวเลขที่แน่นอน

อ้างอิง

[แก้]
  1. IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (1997). Online corrected version:  (1994) "Triple point"..
  2. James Thomson (1873) "A quantitative investigation of certain relations between the gaseous, the liquid, and the solid states of water-substance", Proceedings of the Royal Society, 22 : 27–36. จากเชิงอรรถในหน้า 28: " … the three curves would meet or cross each other in one point, which I have called the triple point".
  3. Definition of the kelvin at BIPM.
  4. "SI Brochure: The International System of Units (SI) – 9th edition". BIPM. สืบค้นเมื่อ 21 February 2022.
  5. International Equations for the Pressure along the Melting and along the Sublimation Curve of Ordinary Water Substance.
  6. 6.0 6.1 Murphy, D. M. (2005). "Review of the vapour pressures of ice and supercooled water for atmospheric applications". Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 131 (608): 1539–1565. Bibcode:2005QJRMS.131.1539M. doi:10.1256/qj.04.94.
  7. Carr, Michael H. (2007). The Surface of Mars. Cambridge University Press. p. 5. ISBN 978-0-521-87201-0.
  8. Murphy, D. M. (2005). "Review of the vapour pressures of ice and supercooled water for atmospheric applications". Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 131 (608): 1539–1565. Bibcode:2005QJRMS.131.1539M. doi:10.1256/qj.04.94.
  9. Cengel, Yunus A.; Turner, Robert H. (2004). Fundamentals of thermal-fluid sciences. Boston: McGraw-Hill. p. 78. ISBN 0-07-297675-6.
  10. "Trichloromethane". NIST Chemistry WebBook, SRD 69. NIST (National Institute of Science and Technology). สืบค้นเมื่อ 11 May 2024.
  11. Donnelly, Russell J.; Barenghi, Carlo F. (1998). "The Observed Properties of Liquid Helium at the Saturated Vapor Pressure". Journal of Physical and Chemical Reference Data. 27 (6): 1217–1274. Bibcode:1998JPCRD..27.1217D. doi:10.1063/1.556028.
  12. 12.0 12.1 12.2 Hoffer, J. K.; Gardner, W. R.; Waterfield, C. G.; Phillips, N. E. (April 1976). "Thermodynamic properties of 4He. II. The bcc phase and the P-T and VT phase diagrams below 2 K". Journal of Low Temperature Physics. 23 (1): 63–102. Bibcode:1976JLTP...23...63H. doi:10.1007/BF00117245.
  13. "Protium | isotope | Britannica". 27 January 2024.
  14. Walas, S. M. (1990). Chemical Process Equipment – Selection and Design. Amsterdam: Elsevier. p. 639. ISBN 0-7506-7510-1.
  15. "Silane-Gas Encyclopedia". Gas Encyclopedia. Air Liquide.

แหล่งข้อมูลอื่น

[แก้]
  • วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อเกี่ยวกับ Triple point