Химия - Фазовая диаграмма воды

01 марта 2011





Фазовая диаграмма воды
Фрагмент фазовой диаграммы воды

графическое отображение равновесного состояния фаз воды. Строится в системе координат температура—давление.

Элементы фазовой диаграммы

Тройные точки

Фазы Давление Температура Примечание
МПа °C K
1 Пар Вода Лёд Ih 611,657 Па 0,01 273,16

2 Пар Лёд Ih Лёд XI 0 −201,0 72,15

3 Вода Лёд Ih Лёд III 209,9 −21,985 251,165

4 Лёд Ih Лёд II Лёд III 212,9 −34,7 238,45
5 Лёд II Лёд III Лёд V 344,3 −24,3 248,85
6 Лёд II Лёд VI Лёд XV ~ 800 −143 130 Для D2O
7 Вода Лёд III Лёд V 350,1 −16,986 256,164
8 Вода Лёд IV Лёд XII ~ 500—600 ~ −6 ~ 267

9 Лёд II Лёд V Лёд VI ~ 620 ~ −55 ~ 218
10 Вода Лёд V Лёд VI 632,4 0.16 273,32
11 Лёд VI Лёд VIII Лёд XV ~ 1500 −143 130 Для D2O
12 Лёд VI Лёд VII Лёд VIII 2100 ~ 5 ~ 278
13 Вода Лёд VI Лёд VII 2216 81,85 355
14 Лёд VII Лёд VIII Лёд X 62 000 −173 100
15 Вода Лёд VII Лёд X 47 000 ~ 727 ~ 1000

Кривая сублимации льда

Кривая сублимации льда. Линейный масштаб по оси P

Кривая сублимации льда начинается в точке и заканчивается в тройной точке воды. На этом участке при снижении температуры давление сублимации падает экспоненциально и при уже температуре 130 K составляет незначительную величину.

С хорошей точностью давление сублимации на этом участке описывается экспонентой

~P = A \cdot exp,

где

~A = 3,41 \cdot 10^{12} ~ \mathrm {Pa}; \quad B = 6130 ~ \mathrm K.

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

Более точно кривая сублимации описывается формулой, рекомендованной IAPWS русск.:

~\ln \frac{P}{P_0} = \frac{T_0}{T} \sum_{i=1}^3 a_i\left^{b_i},

где


\begin{matrix} ~P_0 = 611,657  ~ \mathrm {Pa}; & T_0 = 273,16 ~ \mathrm K;
\\ a_1 = -21,2144006; & b_1 = 0,003333333;
\\ a_2 = 27,3203819; & b_2 = 1,20666667;
\\ a_3 = -6,1059813; & b_3 = 1,70333333.
\end{matrix}

Кривая плавления льда Ih

Кривая плавления льда Ih на фазовой диаграмме в области низких давлений представляет собой в практически вертикальную прямую. Так, при переходе от тройной точки к атмосферному давлению температура плавления падает всего на 0,008 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 . Минимальная температура плавления достигается при давлении 208,566 МПа.

Кривая плавления льда Ih — единственный фазовый переход, сязанный с изменением агрегатного состояния воды, который имеет обратный наклон. Это обстоятельство 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:

~\frac{P}{P_0} = 1 + \sum_{i=1}^3 a_i\left^{b_i},

где


\begin{matrix} ~P_0 = 611,657  ~ \mathrm {Pa}; & T_0 = 273,16 ~ \mathrm K;
\\  a_1 = 1~195~393,37; & b1 =   3,00;
\\  a_2 =   80~818,3159; & b2 =  25,75;
\\  a_3 =    3~338,2686; & b3 = 103,75;
\end{matrix}

Кривая плавления льда III

Кривая плавления льда III начинается в точке минимальной температуры затвердевания воды, где обычный лёд превращается в структурную модификацию III, и заканчивается в точке, где проходит граница фаз III и V.

Кривая плавления описывается формулой, рекомендованной IAPWS:

~\frac{P}{P_0} = 1 - 0,299948 \left,

где


~P_0 = 208,566  ~ \mathrm {MPa}; \quad T_0 = 251,165 ~ \mathrm {K}.

Кривая плавления льда V

Кривая плавления льда V начинается в точке, на границе фаз III и V, и заканчивается в точке, где проходит граница фаз V и VI.

Кривая плавления описывается формулой, рекомендованной IAPWS:

~\frac{P}{P_0} = 1 - 1,18721 \left,

где


~P_0 = 350,1  ~ \mathrm {MPa}; \quad T_0 = 256,164 ~ \mathrm {K}.

Кривая плавления льда VI

Кривая плавления льда VI начинается в точке, на границе фаз V и VI, и заканчивается в точке, где проходит граница фаз VI и VII.

Кривая плавления описывается формулой, рекомендованной IAPWS:

~\frac{P}{P_0} = 1 - 1,07476 \left,

где


~P_0 = 632,4  ~ \mathrm {MPa}; \quad T_0 = 273,31 ~ \mathrm {K}.

Кривая плавления льда VII

Кривая плавления льда VII начинается в точке, на границе фаз VI и VII, и заканчивается в точке, где проходит граница фазы VII.

Кривая плавления описывается формулой, рекомендованной IAPWS:

~\ln \frac{P}{P_0} =  \sum_{i=1}^3 a_i\left^{b_i},

где


\begin{matrix} ~P_0 = 2216  ~ \mathrm {MPa}; & T_0 = 355 ~ \mathrm K;
\\ a_1 = 1,73683; & b_1 = -1;
\\ a_2 = -0,0544606; & b_2 = 5;
\\ a_3 = 8,06106 \cdot 10^{-8}; & b_3 = 22.
\end{matrix}

Кривая насыщения водяного пара

Кривая насыщения водяного пара начинается в тройной точке воды и заканчивается в критической точке. Она показывает температуру кипения воды при указанном давлении или, что тоже 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:

~ \beta^2\theta^2 + n_1\beta^2\theta + n_2\beta^2 + n_3\beta\theta^2 + n_4\beta\theta + n_5\beta + n_6\theta^2 + n_7\theta +n_8 = 0,

где

~ \theta = {T\over T_0} + \frac{n_9}{{T\over T_0} - n_{10}}; \quad T_0 = 1 ~ \mathrm K;
~ \beta = \left^{0,25}; \quad P_0 = 1 ~ \mathrm {MPa};
~ n_0  =        1,0;
~ n_1  =     1167,0521452767;
~ n_2  =  -724213,16703206;
~ n_3  =      -17,073846940092;
~ n_4  =    12020,82470247;
~ n_5  = -3232555,0322333;
~ n_6  =       14,91510861353;
~ n_7  =    -4823,2657361591;
~ n_8  =   405113,40542057;
~ n_9  =       -0,23855557567849;
~ n_{10} =      650,17534844798.

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

~ A = \theta^2 + n_1\theta + n_2;
~ B = n_3\theta^2 + n_4\theta + n_5;
~ C = n_6\theta^2 + n_7\theta +n_8,

после чего находится значение β

~ \beta = \frac {-B-\sqrt{B^2-4AC}} {2A}

и абсолютное значение давления:

~ P = P_0 \beta^4.

Давление насыщенного водяного пара при различных температурах

T °C 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
0 0,6112 0,6571 0,7060 0,7581 0,8135 0,8726 0,9354 1,002 1,073 1,148
10 1,228 1,313 1,403 1,498 1,599 1,706 1,819 1,938 2,065 2,198
20 2,339 2,488 2,645 2,811 2,986 3,170 3,364 3,568 3,783 4,009
30 4,247 4,497 4,759 5,035 5,325 5,629 5,947 6,282 6,632 7,000
40 7,384 7,787 8,209 8,650 9,112 9,594 10,10 10,63 11,18 11,75
50 12,35 12,98 13,63 14,31 15,02 15,76 16,53 17,33 18,17 19,04
60 19,95 20,89 21,87 22,88 23,94 25,04 26,18 27,37 28,60 29,88
70 31,20 32,57 34,00 35,48 37,01 38,60 40,24 41,94 43,70 45,53
80 47,41 49,37 51,39 53,48 55,64 57,87 60,17 62,56 65,02 67,56
90 70,18 72,89 75,68 78,57 81,54 84,61 87,77 91,03 94,39 97,85
100 101,4


Просмотров: 3486


<<< Фазовая диаграмма
Феррит (фаза) >>>