Điểm ba: Đặc điểm của nước, Cyclohexane và Benzen
Điểm ba là một thuật ngữ trong lĩnh vực nhiệt động lực học để chỉ nhiệt độ và áp suất trong đó có ba pha của một chất trong trạng thái cân bằng nhiệt động. Điểm này tồn tại cho tất cả các chất, mặc dù các điều kiện mà chúng thu được rất khác nhau giữa mỗi chất.
Một điểm ba cũng có thể liên quan đến nhiều hơn một pha cùng loại cho một chất cụ thể; đó là, hai giai đoạn khác nhau của chất rắn, chất lỏng hoặc khí được quan sát. Helium, đặc biệt là đồng vị helium-4 của nó, là một ví dụ điển hình về điểm ba liên quan đến hai pha chất lỏng riêng lẻ: chất lỏng thông thường và chất lỏng siêu lỏng.
Đặc điểm của điểm ba
Điểm ba của nước được sử dụng để xác định Kelvin, đơn vị cơ bản của nhiệt độ nhiệt động lực học trong hệ thống đơn vị quốc tế (SI). Giá trị này được cố định theo định nghĩa thay vì đo.
Điểm ba của mỗi chất có thể được quan sát bằng cách sử dụng biểu đồ pha, là các biểu đồ được vẽ cho phép chứng minh các điều kiện giới hạn của các pha rắn, lỏng, khí (và các trường hợp khác, trong trường hợp đặc biệt) của một chất trong khi chúng gây ra những thay đổi về nhiệt độ, áp suất và / hoặc độ hòa tan.
Một chất có thể được tìm thấy tại điểm nóng chảy của nó trong đó chất rắn gặp chất lỏng; Nó cũng có thể được tìm thấy tại điểm sôi của nó, nơi chất lỏng gặp khí. Tuy nhiên, đó là điểm ba trong đó cả ba giai đoạn đều đạt được. Các sơ đồ này sẽ khác nhau cho mỗi chất, như sẽ thấy sau.
Điểm ba có thể được sử dụng hiệu quả trong việc hiệu chuẩn nhiệt kế, sử dụng các tế bào ba điểm.
Đây là các mẫu của các chất trong điều kiện cách ly (trong các "tế bào" thủy tinh) ở điểm ba của chúng với các điều kiện nhiệt độ và áp suất đã biết, và do đó tạo điều kiện thuận lợi cho việc nghiên cứu độ chính xác của phép đo nhiệt kế.
Nghiên cứu về khái niệm này cũng đã được sử dụng trong hành trình khám phá hành tinh sao Hỏa, trong đó người ta đã cố gắng biết mức độ của biển trong các nhiệm vụ được thực hiện trong thập niên 1970s.
Ba điểm nước
Các điều kiện chính xác của áp suất và nhiệt độ mà nước cùng tồn tại trong ba pha của nó ở trạng thái cân bằng - nước lỏng, nước đá và hơi - xảy ra ở nhiệt độ chính xác là 273, 16 K (0, 01 ° C) và áp suất hơi một phần là 611.656 pascal (0, 00603659 atm).
Tại thời điểm này, có thể chuyển đổi chất thành bất kỳ trong ba pha với sự thay đổi tối thiểu về nhiệt độ hoặc áp suất của nó. Mặc dù tổng áp suất của hệ thống có thể nằm trên mức yêu cầu đối với điểm ba, nhưng nếu áp suất riêng phần của hơi nước ở mức 611.656 Pa, hệ thống sẽ đạt đến điểm ba bằng nhau.
Có thể quan sát trong hình trước biểu diễn điểm ba (hoặc điểm ba, bằng tiếng Anh) của một chất có sơ đồ tương tự như nước, theo nhiệt độ và áp suất cần thiết để đạt giá trị này.
Trong trường hợp nước, điểm này tương ứng với áp suất tối thiểu mà nước lỏng có thể tồn tại. Ở áp suất nhỏ hơn điểm ba này (ví dụ, trong chân không) và khi sử dụng gia nhiệt áp suất không đổi, đá rắn sẽ chuyển trực tiếp thành hơi nước mà không đi qua chất lỏng; Đây là một quá trình gọi là thăng hoa.
Vượt quá áp suất tối thiểu này (P tp ), trước tiên băng sẽ tan chảy tạo thành nước lỏng và chỉ sau đó nó sẽ bay hơi hoặc sôi để tạo thành hơi.
Đối với nhiều chất, giá trị nhiệt độ tại điểm ba của nó là nhiệt độ tối thiểu mà tại đó pha lỏng có thể tồn tại, nhưng điều này không xảy ra trong trường hợp nước. Đối với nước, điều này không xảy ra, vì điểm nóng chảy của băng giảm tùy thuộc vào áp suất, như thể hiện bởi đường chấm màu xanh lá cây của hình trước.
Trong các pha áp suất cao, nước có sơ đồ pha khá phức tạp, trong đó mười lăm pha băng đã biết được hiển thị (ở nhiệt độ và áp suất khác nhau), ngoài mười điểm ba khác nhau được hiển thị trong hình sau:
Có thể lưu ý rằng, trong điều kiện áp suất cao, băng có thể tồn tại ở trạng thái cân bằng với chất lỏng; Biểu đồ cho thấy các điểm nóng chảy tăng theo áp lực. Ở nhiệt độ thấp không đổi và áp suất tăng, hơi nước có thể được chuyển đổi trực tiếp thành nước đá, mà không qua giai đoạn lỏng.
Các điều kiện khác nhau xảy ra trong các hành tinh nơi điểm ba đã được nghiên cứu (Trái đất ở mực nước biển và ở khu vực xích đạo của Sao Hỏa) cũng được trình bày trong sơ đồ này.
Biểu đồ cho thấy rõ rằng điểm ba thay đổi tùy thuộc vào vị trí vì lý do áp suất và nhiệt độ khí quyển, và không chỉ bởi sự can thiệp của người thí nghiệm.
Ba điểm của cyclohexane
Cyclohexane là một cycloalkane có công thức phân tử là C 6 H 12 . Chất này có đặc thù là có các điều kiện ba điểm có thể dễ dàng tái tạo, như trong trường hợp của nước, vì điểm này nằm ở nhiệt độ 279, 47 K và áp suất 5.388 kPa.
Trong những điều kiện này, hợp chất đã được quan sát thấy để đun sôi, hóa rắn và nóng chảy với những thay đổi tối thiểu về nhiệt độ và áp suất.
Benzen ba điểm
Trong trường hợp tương tự như cyclohexane, benzen (hợp chất hữu cơ có công thức hóa học C 6 H 6 ) đã dễ dàng tái tạo các điều kiện ba điểm trong phòng thí nghiệm.
Giá trị của nó là 278, 5 K và 4, 83 kPa, do đó, người ta cũng thường thử nghiệm thành phần này ở cấp độ mới bắt đầu.
