Фазовая диаграмма воды

Фазовая диаграмма воды — графическое отображение равновесного состояния фаз воды (жидкости, водяного пара и различных модификаций льда). Строится в системе координат температура—давление.

Элементы фазовой диаграммы

Тройные точки

Кривая сублимации льда

Кривая сублимации льда начинается в точке (0 Па; 0 K) и заканчивается в тройной точке воды (611,657 Па; 273,16 K). На этом участке при снижении температуры давление сублимации падает экспоненциально и при уже температуре 130 K составляет незначительную величину (10−8 Па).

С хорошей точностью давление сублимации на этом участке описывается экспонентой

P = A·exp(-B/T),

где

A = 3,41·10¹²~Pa; B = 6130~K.

Ошибка этой формулы — не более 1 % в диапазоне температур 240—273,16 K и не более 2,5 % в диапазоне температур 140—240 K.

Более точно кривая сублимации описывается формулой, рекомендованной IAPWS[англ.] (англ. International Association for the Properties of Water and Steam — Международная ассоциация по изучению свойств воды и пара):

ln P/P₀ = T₀/T∑_(i = 1)³a_i(T/T₀)^(b_i),

где

beginmatrix~P₀ = 611,657~Pa;&T₀ = 273,16~K;\a₁ = -21,2144006;&b₁ = 0,003333333;\a₂ = 27,3203819;&b₂ = 1,20666667;\a₃ = -6,1059813;&b₃ = 1,70333333.endmatrix

Кривая плавления льда Ih

Кривая плавления льда Ih (то есть обычного льда) на фазовой диаграмме в области низких давлений представляет собой практически вертикальную прямую. Так, при переходе от тройной точки (611 Па) к атмосферному давлению (101 кПа) температура плавления падает всего на 0,008 K (с 273,16 до 273,15 K). Давление, необходимое для снижения температуры плавления на 1 K составляет около 132 атм. Кривая плавления по горизонтальной оси занимает диапазон температур 251,165—273,16 K (–21,985 ... 0,01 °C). Минимальная температура плавления (–21,985 °С) достигается при давлении 208,566 МПа (2058 атм).

Кривая плавления льда Ih — единственный фазовый переход, связанный с изменением агрегатного состояния воды, который имеет обратный наклон (при увеличении давления температура плавления уменьшается). Это обстоятельство (в соответствии с принципом ле Шателье) объясняется тем, что лёд Ih имеет меньшую плотность по сравнению с водой при том же давлении. Все остальные модификации льда тяжелее воды, их температура плавления при повышении давления увеличивается.

Кривая плавления описывается формулой, рекомендованной IAPWS:

P/P₀ = 1+∑_(i = 1)³a_i[1-(T/T₀)^(b_i)],

где

beginmatrix~P₀ = 611,657~Pa;&T₀ = 273,16~K;\a₁ = 1~195~393,37;&b1 = 3,00;\a₂ = 80~818,3159;&b2 = 25,75;\a₃ = 3~338,2686;&b3 = 103,75;endmatrix

Кривая плавления льда III

Кривая плавления льда III начинается в точке минимальной температуры затвердевания воды (251,165 K; 208,566 МПа), где обычный лёд превращается в структурную модификацию III, и заканчивается в точке (256,164 K; 350,1 МПа), где проходит граница фаз III и V.

Кривая плавления описывается формулой, рекомендованной IAPWS:

P/P₀ = 1-0,299948[1-(T/T₀)⁶⁰],

где

P₀ = 208,566~MPa; T₀ = 251,165~K.

Кривая плавления льда V

Кривая плавления льда V начинается в точке (256,164 K; 350,1 МПа), на границе фаз III и V, и заканчивается в точке (273,31 K; 632,4 МПа), где проходит граница фаз V и VI.

Кривая плавления описывается формулой, рекомендованной IAPWS:

P/P₀ = 1-1,18721[1-(T/T₀)⁸],

где

P₀ = 350,1~MPa; T₀ = 256,164~K.

Кривая плавления льда VI

Кривая плавления льда VI начинается в точке (273,31 K; 632,4 МПа), на границе фаз V и VI, и заканчивается в точке (355 K; 2216 МПа), где проходит граница фаз VI и VII.

Кривая плавления описывается формулой, рекомендованной IAPWS:

P/P₀ = 1-1,07476[1-(T/T₀)^(4,6)],

где

P₀ = 632,4~MPa; T₀ = 273,31~K.

Кривая плавления льда VII

Кривая плавления льда VII начинается в точке (355 K; 2216 МПа), на границе фаз VI и VII, и заканчивается в точке (715 K; 20,6 ГПа), где проходит граница фазы VII.

Кривая плавления описывается формулой, рекомендованной IAPWS:

ln P/P₀ = ∑_(i = 1)³a_i(1-(T/T₀)^(b_i)),

где

beginmatrix~P₀ = 2216~MPa;&T₀ = 355~K;\a₁ = 1,73683;&b₁ = -1;\a₂ = -0,0544606;&b₂ = 5;\a₃ = 8,06106·10⁻⁸;&b₃ = 22.endmatrix

Кривая насыщения водяного пара

Кривая насыщения водяного пара начинается в тройной точке воды (273,16 K; 611,657 Па) и заканчивается в критической точке (647,096 К; 22,064 МПа). Она показывает температуру кипения воды при указанном давлении или, что то же самое, давление насыщенного водяного пара при указанной температуре. В критической точке плотность водяного пара достигает плотности воды и, таким образом, различие между этими агрегатными состояниями исчезает.

Согласно рекомендациям IAPWS, линия насыщения представляется в виде неявного квадратного уравнения относительно нормированной температуры θ и нормированного давления β:

β²θ²+n₁β²θ+n₂β²+n₃βθ²+n₄βθ+n₅β+n₆θ²+n₇θ+n₈ = 0,

где

θ = T/T₀+n₉/(T/T₀-n₁₀); T₀ = 1~K;

β = (P/P₀)^(0,25); P₀ = 1~MPa;

Для заданного абсолютного значения температуры T вычисляется нормированное значение θ и коэффициенты квадратного уравнения

A = θ²+n₁θ+n₂;

B = n₃θ²+n₄θ+n₅;

C = n₆θ²+n₇θ+n₈,

после чего находится значение β

β = (-B-√(B²-4AC))/2A

и абсолютное значение давления

P = P₀β⁴.

Давление насыщенного водяного пара (кПа) при различных температурах[источник не указан 3014 дней]

(по вертикали указано целое число градусов, по горизонтали дробное)