กราฟความดันอุณหภูมิของน้ำ แผนภาพสถานะของน้ำ เราจะทำอย่างไรกับวัสดุที่ได้รับ?

ก่อนอื่น เรามาตกลงกันก่อนว่าคำว่า "น้ำ" เราหมายถึง H 2 O ในสถานะเฟสที่เป็นไปได้ใดๆ

ในธรรมชาติ น้ำสามารถมีได้ 3 สถานะ ได้แก่ สถานะของแข็ง (น้ำแข็ง หิมะ) สถานะของเหลว (น้ำ) สถานะก๊าซ (ไอน้ำ)

ลองพิจารณาน้ำที่ไม่มีปฏิสัมพันธ์กับพลังงานกับสิ่งแวดล้อมเช่น ในสภาวะสมดุล

มีไออยู่ใกล้พื้นผิวน้ำแข็งหรือของเหลวอยู่เสมอ เฟสการสัมผัสอยู่ในสมดุลทางอุณหพลศาสตร์: โมเลกุลเร็วลอยออกจากเฟสของเหลว เอาชนะแรงพื้นผิว และโมเลกุลช้าจากเฟสไอผ่านเข้าสู่เฟสของเหลว

ในสภาวะสมดุล แต่ละอุณหภูมิจะสอดคล้องกับความดันไอ - ทั้งหมด (หากมีเพียงไออยู่เหนือของเหลว) หรือบางส่วน (หากมีส่วนผสมของไอกับอากาศหรือก๊าซอื่น ๆ ) ไอน้ำที่อยู่ในสภาวะสมดุลกับเฟสของเหลวที่เกิดขึ้นเรียกว่าไอน้ำอิ่มตัว และอุณหภูมิที่สอดคล้องกันเรียกว่าอุณหภูมิอิ่มตัว และความดันเรียกว่าความดันอิ่มตัว

สถานะของน้ำไม่สมดุล:

ก) สถานะไม่สมดุลทางกลไก ปล่อยให้ความดันไอเหนือของเหลวลดลงต่ำกว่าความดันอิ่มตัว ในกรณีนี้สมดุลถูกรบกวน การเปลี่ยนแปลงที่ไม่มีการชดเชยของสารจากเฟสของเหลวไปเป็นเฟสก๊าซเกิดขึ้นผ่านส่วนต่อประสานเฟสเนื่องจากโมเลกุลที่เร็วที่สุด

กระบวนการเปลี่ยนผ่านของสารจากสถานะของเหลวไปเป็นสถานะก๊าซโดยไม่ได้รับการชดเชยเรียกว่าการระเหย

กระบวนการเปลี่ยนผ่านของสารจากสถานะของแข็งไปเป็นสถานะก๊าซโดยไม่ได้รับการชดเชยเรียกว่าการระเหิดหรือการระเหิด

ความเข้มข้นของการระเหยหรือการระเหิดจะเพิ่มขึ้นเมื่อมีการกำจัดไอที่เกิดขึ้นอย่างเข้มข้น ในกรณีนี้อุณหภูมิของเฟสของเหลวจะลดลงเนื่องจากการจากไปของโมเลกุลที่มีพลังงานสูงสุดจากนั้น ซึ่งสามารถทำได้โดยไม่ต้องลดความดัน เพียงแค่เป่าลมผ่านพื้นผิวของของเหลว

b) ความไม่สมดุลทางความร้อน ปล่อยให้ความร้อนถูกส่งไปยังของเหลวในภาชนะเปิด ในกรณีนี้ อุณหภูมิและความดันของไออิ่มตัวเหนือของเหลวจะเพิ่มขึ้นและสามารถเข้าถึงความดันภายนอกได้เต็มที่ (P=PH) ในกรณีที่ P = P H ที่พื้นผิวทำความร้อนอุณหภูมิของของเหลวจะสูงขึ้นเหนืออุณหภูมิของไออิ่มตัวที่ความดันที่เกิดขึ้นที่นี่ เช่น เงื่อนไขถูกสร้างขึ้นสำหรับการก่อตัวของไอในความหนาของของเหลว

กระบวนการเปลี่ยนผ่านของสารจากสถานะของเหลวไปเป็นสถานะไอภายในของเหลวโดยตรงเรียกว่าการเดือด

กระบวนการเกิดนิวเคลียสของฟองไอในความหนาของของเหลวนั้นซับซ้อน เพื่อให้น้ำเดือดจำเป็นต้องมีจุดศูนย์กลางของการระเหยบนพื้นผิวของแหล่งจ่ายความร้อน - การกด, การยื่นออกมา, สิ่งผิดปกติ ฯลฯ ที่พื้นผิวทำความร้อน ในระหว่างการเดือด ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างน้ำและไอน้ำอิ่มตัวที่ความดันที่มีอยู่จะขึ้นอยู่กับความเข้มของแหล่งจ่ายความร้อนและสามารถเข้าถึงได้หลายสิบองศา

การกระทำของแรงตึงผิวของของเหลวทำให้เกิดความร้อนสูงเกินไปของของเหลวที่ส่วนต่อประสานเฟสเมื่อมันเดือด 0.3-1.5 องศาเมื่อเทียบกับอุณหภูมิของไออิ่มตัวที่อยู่ด้านบน

กระบวนการใด ๆ ของการเปลี่ยนผ่านของสารจากสถานะของเหลวไปเป็นสถานะไอเรียกว่าการทำให้กลายเป็นไอ

กระบวนการที่ตรงกันข้ามกับการกลายเป็นไอคือ การเปลี่ยนแปลงที่ไม่มีการชดเชยของสารจากเฟสไอไปเป็นเฟสของเหลวเรียกว่าการควบแน่น

ที่ความดันไอคงที่ การควบแน่นจะเกิดขึ้น (เช่น การเดือด) ที่อุณหภูมิคงที่ และเป็นผลจากการนำความร้อนออกจากระบบ

กระบวนการที่ตรงข้ามกับการระเหิดคือ การเปลี่ยนผ่านของสารจากเฟสไอไปเป็นสถานะของแข็งโดยตรงเรียกว่าการลดระเหิด

ให้เราระลึกว่าแนวคิดที่แนะนำก่อนหน้านี้เกี่ยวกับไอน้ำอิ่มตัวและอุณหภูมิอิ่มตัวที่ถ่ายโอนไปยังกระบวนการเดือด นำไปสู่ความเท่าเทียมกันของอุณหภูมิของไอน้ำและของเหลว ในกรณีนี้ทั้งความดันและอุณหภูมิของเฟสของเหลวและไอจะเท่ากัน

สถานะของเหลวของน้ำที่จุดเดือดเรียกว่าของเหลวอิ่มตัว

ไอน้ำที่อุณหภูมิเดือด (อิ่มตัว) เรียกว่าไอน้ำอิ่มตัวแบบแห้ง

ส่วนผสมของของเหลว + ไอสองเฟสในสถานะอิ่มตัวเรียกว่าไออิ่มตัวแบบเปียก

ในอุณหพลศาสตร์ คำนี้ใช้กับระบบสองเฟสซึ่งไออิ่มตัวสามารถอยู่เหนือระดับของเหลวหรือเป็นตัวแทนของส่วนผสมของไอที่มีหยดของเหลวแขวนลอยอยู่ในนั้น เพื่อระบุลักษณะเฉพาะของไอน้ำอิ่มตัวแบบเปียก แนวคิดเรื่องระดับความแห้งเอ็กซ์, ซึ่งเป็นอัตราส่วนของมวลไอน้ำอิ่มตัวแบบแห้ง, ม.ส.น.พี. - ถึงมวลรวมของส่วนผสม, ม. SM = ม. S.N.P. + ม. เจ.เอส.เอ็น. - ด้วยของเหลวที่อยู่ในสถานะอิ่มตัว:

การจ่ายความร้อนให้กับไอน้ำอิ่มตัวชื้นที่ความดันคงที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนสถานะของเหลวของส่วนผสมไปเป็นสถานะไอ ในกรณีนี้ อุณหภูมิของส่วนผสม (ความอิ่มตัว) ไม่สามารถเพิ่มขึ้นได้จนกว่าของเหลวทั้งหมดจะถูกเปลี่ยนเป็นไอ การจ่ายความร้อนเพิ่มเติมให้กับเฟสไอในสถานะอิ่มตัวจะทำให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้นเท่านั้น

ไอน้ำที่มีอุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิอิ่มตัวที่ความดันที่กำหนดเรียกว่าไอน้ำร้อนยวดยิ่ง ความแตกต่างของอุณหภูมิของไอน้ำร้อนยวดยิ่งที และไอน้ำอิ่มตัวที่มีความดันเท่ากันทีเอ็น เรียกว่าระดับความร้อนยวดยิ่งของไอน้ำ D เสื้อ P = เสื้อ -t N.

เมื่อระดับความร้อนยวดยิ่งของไอน้ำเพิ่มขึ้น ปริมาตรของไอน้ำจะเพิ่มขึ้น ความเข้มข้นของโมเลกุลจะลดลง และคุณสมบัติของไอน้ำจะใกล้เคียงกับก๊าซ

การประยุกต์กฎเฟสกิ๊บส์กับระบบที่มีส่วนประกอบเดียว แผนภาพเฟสของน้ำและซัลเฟอร์

สำหรับระบบองค์ประกอบเดียว ถึง=1 และกฎเฟสเขียนเป็น:

ค = 3– เอฟ

ถ้า เอฟ= 1 แล้ว กับ=2 เขาบอกว่าระบบ ตัวแปร;
เอฟ= 2 แล้ว กับ=1 , ระบบ ตัวแปรเดียว;
เอฟ= 3 แล้ว กับ = 0, ระบบ ไม่เปลี่ยนแปลง.

ความสัมพันธ์ระหว่างความดัน ( ร), อุณหภูมิ ( ต) และปริมาตร ( วี) ระยะสามารถแสดงเป็นสามมิติได้ แผนภาพแสดงสถานะ- แต่ละจุด (เรียกว่า จุดที่เป็นรูปเป็นร่าง) บนแผนภาพดังกล่าวแสดงถึงสภาวะสมดุลบางประการ โดยปกติแล้วจะสะดวกกว่าในการทำงานกับส่วนต่างๆ ของไดอะแกรมนี้โดยใช้ระนาบ ร-ต(ที่ วี = ค่าคงที่) หรือเครื่องบิน พี-วี(ที่ ที = ค่าคงที่- ต่อไปนี้เราจะพิจารณาเฉพาะกรณีของส่วนตามระนาบเท่านั้น ร-ต(ที่ วี = ค่าคงที่).

มีการศึกษาสถานะของน้ำในช่วงอุณหภูมิและความดันที่หลากหลาย ที่ความกดดันสูง มีการดัดแปลงผลึกน้ำแข็งอย่างน้อยสิบครั้ง สิ่งที่ศึกษามากที่สุดคือน้ำแข็ง I - การดัดแปลงน้ำแข็งเพียงอย่างเดียวที่พบในธรรมชาติ

การมีอยู่ของการดัดแปลงสารต่าง ๆ - ความหลากหลาย - นำไปสู่ความซับซ้อนของไดอะแกรมสถานะ

แผนภาพเฟสของน้ำในพิกัด ร-ตนำเสนอในรูปที่ 15 ประกอบด้วย 3 ฟิลด์เฟส- พื้นที่ต่างๆ อาร์, ที- ค่าที่มีน้ำอยู่ในรูปแบบของเฟสหนึ่ง - น้ำแข็ง, น้ำของเหลว หรือไอน้ำ (ระบุในรูปด้วยตัวอักษร L, F และ P ตามลำดับ) ฟิลด์เฟสเหล่านี้ถูกคั่นด้วยเส้นโค้ง 3 เส้น

Curve AB - เส้นโค้งการระเหยเป็นการแสดงออกถึงการพึ่งพาอาศัยกัน ความดันไอของน้ำของเหลวจากอุณหภูมิ(หรือในทางกลับกัน แสดงถึงการพึ่งพาจุดเดือดของน้ำกับแรงดันภายนอก) กล่าวอีกนัยหนึ่ง เส้นนี้สอดคล้องกับสมดุลสองเฟส

น้ำของเหลว ↔ ไอน้ำ และจำนวนองศาอิสระที่คำนวณโดยกฎเฟสคือ กับ= 3 – 2 = 1 เรียกว่าสมดุลนี้ ตัวแปรเดียว- ซึ่งหมายความว่าสำหรับคำอธิบายที่สมบูรณ์ของระบบก็เพียงพอที่จะกำหนดเท่านั้น ตัวแปรหนึ่ง- อุณหภูมิหรือความดัน เนื่องจากอุณหภูมิที่กำหนดจะมีความดันสมดุลเพียงความดันเดียว และความดันที่กำหนดจะมีอุณหภูมิสมดุลเพียงอุณหภูมิเดียว

ที่ความดันและอุณหภูมิซึ่งสัมพันธ์กับจุดใต้เส้น AB ของเหลวจะระเหยไปจนหมด และบริเวณนี้คือบริเวณของไอ ในการอธิบายระบบในพื้นที่เฟสเดียวที่กำหนด จำเป็นต้องมีตัวแปรอิสระสองตัว: อุณหภูมิและความดัน ( กับ = 3 – 1 = 2).

ที่ความดันและอุณหภูมิซึ่งสอดคล้องกับจุดเหนือเส้น AB ไอระเหยจะถูกควบแน่นเป็นของเหลวอย่างสมบูรณ์ ( กับ= 2) ขีดจำกัดบนของกราฟการระเหย AB อยู่ที่จุด B ซึ่งเรียกว่าจุดวิกฤติ (สำหรับน้ำ 374.2°С และ 218.5 ATM- เหนืออุณหภูมินี้ เฟสของของเหลวและไอจะแยกไม่ออก (ส่วนต่อประสานของของเหลว/ไอจะหายไป) ดังนั้น เอฟ = 1.

เส้น AC - เส้นโค้งการระเหิดน้ำแข็ง (บางครั้งเรียกว่าเส้นระเหิด) ซึ่งสะท้อนถึงการพึ่งพาอาศัยกัน แรงดันไอน้ำเหนือน้ำแข็งกับอุณหภูมิ- เส้นนี้สอดคล้องกับสมดุลตัวแปรเดี่ยว น้ำแข็ง ↔ ไอน้ำ ( กับ= 1) เหนือเส้น AC คือพื้นที่น้ำแข็ง ด้านล่างคือพื้นที่ไอน้ำ

เส้น AD - เส้นโค้งการหลอมละลาย แสดงถึงการพึ่งพา อุณหภูมิละลายน้ำแข็งเทียบกับความดันและสอดคล้องกับสมดุลของตัวแปรเดี่ยว น้ำแข็ง ↔ น้ำของเหลว- สำหรับสารส่วนใหญ่ เส้น AD จะเบี่ยงเบนจากแนวตั้งไปทางด้านขวา แต่พฤติกรรมของน้ำมีความผิดปกติ กล่าวคือ น้ำที่เป็นของเหลวจะมีปริมาตรน้อยกว่าน้ำแข็ง ความดันที่เพิ่มขึ้นจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในสมดุลไปสู่การก่อตัวของของเหลวนั่นคือ จุดเยือกแข็งจะลดลง

การศึกษาครั้งแรกที่ดำเนินการโดย Bridgman เพื่อกำหนดเส้นทางการละลายของน้ำแข็งที่ความดันสูงแสดงให้เห็นว่าการเปลี่ยนแปลงผลึกน้ำแข็งที่มีอยู่ทั้งหมด ยกเว้นประการแรกจะมีความหนาแน่นมากกว่าน้ำ ดังนั้น ขีดจำกัดบนของเส้น AD คือจุด D โดยที่น้ำแข็ง I (น้ำแข็งธรรมดา) น้ำแข็ง III และน้ำของเหลวอยู่ร่วมกันในสภาวะสมดุล จุดนี้ตั้งอยู่ที่ –22°С และ 2450 ATM.

ข้าว. 15. แผนภาพเฟสของน้ำ

จากตัวอย่างน้ำ เห็นได้ชัดว่าแผนภาพเฟสไม่ได้ง่ายอย่างที่แสดงในรูปที่ 15 เสมอไป น้ำสามารถมีอยู่ได้ในรูปของสถานะของแข็งหลายเฟส ซึ่งมีโครงสร้างผลึกต่างกัน (ดูรูปที่ 16)

ข้าว. 16. แผนภาพเฟสขยายของน้ำในช่วงค่าความดันที่หลากหลาย

จุดสามจุดของน้ำ (จุดที่สะท้อนถึงสมดุลของสามเฟส - ของเหลว น้ำแข็ง และไอน้ำ) ในกรณีที่ไม่มีอากาศอยู่ที่0.01ºС ( ต = 273,16เค) และ 4.58 มิลลิเมตรปรอท- จำนวนองศาความเป็นอิสระ กับ= 3-3 = 0 และความสมดุลดังกล่าวเรียกว่าไม่แปรเปลี่ยน

เมื่อมีอากาศ ทั้งสามระยะจะอยู่ในสมดุลที่ 1 ATM- และ 0 องศาเซลเซียส ( ต = 273,15เค- การลดลงของจุดสามจุดในอากาศมีสาเหตุดังต่อไปนี้:

1. ความสามารถในการละลายของอากาศในน้ำของเหลวที่ 1 ATMซึ่งทำให้จุดสามจุดลดลง0.0024ºС;

2.ความดันเพิ่มขึ้นจาก 4.58 มิลลิเมตรปรอท- มากถึง 1 ATMซึ่งจะลดจุดสามจุดลงอีก0.0075ºС

และที่นี่เราสามารถไปยังหมวดที่สองได้ ภายใต้คำว่า "น้ำแข็ง"เราคุ้นเคยกับการทำความเข้าใจสถานะสถานะของแข็งของน้ำ แต่นอกจากนั้นสารอื่น ๆ ก็สามารถถูกแช่แข็งได้เช่นกัน ดังนั้นน้ำแข็งจึงสามารถแยกแยะได้ตามองค์ประกอบทางเคมีของสารตั้งต้น เช่น คาร์บอนไดออกไซด์ แอมโมเนีย น้ำแข็งมีเทน และอื่นๆ

ประการที่สามมีโครงผลึก (การดัดแปลง) ของน้ำแข็งซึ่งก่อตัวถูกกำหนดโดยปัจจัยทางอุณหพลศาสตร์ นั่นคือสิ่งที่เราจะพูดถึงเล็กน้อยในโพสต์นี้

ในบทความ Ice เราได้ดูว่าโครงสร้างของน้ำผ่านการปรับโครงสร้างใหม่โดยมีการเปลี่ยนแปลงสถานะการรวมตัวอย่างไร และสัมผัสกับโครงสร้างผลึกอย่างไร น้ำแข็งธรรมดา- ด้วยโครงสร้างภายในของโมเลกุลของน้ำและพันธะไฮโดรเจนที่เชื่อมต่อโมเลกุลทั้งหมดเข้ากับระบบที่ได้รับคำสั่ง ทำให้เกิดตาข่ายผลึกน้ำแข็งหกเหลี่ยม (หกเหลี่ยม) โมเลกุลที่อยู่ใกล้กันที่สุด (มุมหนึ่งตรงกลางและมุมทั้งสี่) ถูกจัดเรียงเป็นรูปปิรามิดสามเหลี่ยมหรือจัตุรมุข ซึ่งรองรับการดัดแปลงคริสตัลหกเหลี่ยม ( รูปที่ 1).

อนึ่งระยะห่างระหว่างอนุภาคที่เล็กที่สุดของสสารวัดเป็นนาโนเมตร (นาโนเมตร) หรืออังสตรอม (ตั้งชื่อตามนักฟิสิกส์ชาวสวีเดนในศตวรรษที่ 19 Anders Jonas Ångström; แสดงด้วยสัญลักษณ์ Å) 1 Å = 0.1 นาโนเมตร = 10−10 ม.

โครงสร้างหกเหลี่ยมของน้ำแข็งธรรมดานี้ขยายออกไปจนเต็มปริมาตร คุณสามารถมองเห็นสิ่งนี้ได้ด้วยตาเปล่าอย่างชัดเจน: ในช่วงหิมะตกในฤดูหนาว ให้จับเกล็ดหิมะบนแขนเสื้อหรือถุงมือของคุณแล้วดูรูปร่างของมันให้ใกล้ยิ่งขึ้น - เป็นรูปหกแฉกหรือหกเหลี่ยม นี่เป็นเรื่องปกติสำหรับเกล็ดหิมะทุกอัน แต่ไม่มีเกล็ดหิมะสักอันเดียวที่เกิดซ้ำอีก (เพิ่มเติมเกี่ยวกับสิ่งนี้ในบทความของเรา) และแม้แต่ผลึกน้ำแข็งขนาดใหญ่ที่มีรูปร่างภายนอกก็สอดคล้องกับโครงสร้างโมเลกุลภายใน ( รูปที่ 2).

เราได้กล่าวไปแล้วว่าการเปลี่ยนผ่านของสาร โดยเฉพาะน้ำ จากสถานะหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่งเกิดขึ้นภายใต้เงื่อนไขบางประการ น้ำแข็งทั่วไปจะเกิดขึ้นที่อุณหภูมิ 0°C และต่ำกว่า และที่ความดัน 1 บรรยากาศ ( ค่าปกติ- ดังนั้นสำหรับการปรากฏตัวของการดัดแปลงน้ำแข็งอื่น ๆ จำเป็นต้องมีการเปลี่ยนแปลงค่าเหล่านี้และในกรณีส่วนใหญ่จะมีอุณหภูมิต่ำและ ความดันสูงซึ่งมุมของพันธะไฮโดรเจนเปลี่ยนแปลงไป และโครงตาข่ายคริสตัลทั้งหมดก็ถูกสร้างขึ้นใหม่

การดัดแปลงน้ำแข็งแต่ละครั้งเป็นของระบบเฉพาะ - กลุ่มของผลึกที่เซลล์หนึ่งหน่วยมีระบบสมมาตรและพิกัดเหมือนกัน (แกน XYZ) โดยรวมแล้วมีเจ็ด syngonies ที่แตกต่างกัน คุณสมบัติของแต่ละคนจะถูกนำเสนอใน ภาพประกอบ 3-4- และด้านล่างเป็นภาพผลึกรูปแบบหลัก ( รูปที่ 5)

การดัดแปลงน้ำแข็งทั้งหมดที่แตกต่างจากน้ำแข็งธรรมดานั้นได้มาในสภาพห้องปฏิบัติการ โครงสร้างน้ำแข็งหลายรูปแบบแรกเป็นที่รู้จักเมื่อต้นศตวรรษที่ 20 ผ่านความพยายามของนักวิทยาศาสตร์ กุสตาฟ ไฮน์ริช ทัมมันน์และ เพอร์ซีย์ วิลเลียมส์ บริดจ์แมน- แผนภาพการแก้ไขของ Bridgman ได้รับการเสริมเป็นระยะ มีการระบุการแก้ไขใหม่จากที่ได้รับก่อนหน้านี้ การเปลี่ยนแปลงล่าสุดในไดอะแกรมเกิดขึ้นในยุคของเรา จนถึงปัจจุบันมีน้ำแข็งผลึกถึงสิบหกประเภท แต่ละประเภทมีชื่อของตัวเองและถูกกำหนดด้วยเลขโรมัน

เราจะไม่เจาะลึกถึงลักษณะทางกายภาพของน้ำแข็งน้ำแต่ละประเภทเพื่อไม่ให้คุณเบื่อผู้อ่านด้วยรายละเอียดทางวิทยาศาสตร์เราจะสังเกตเฉพาะพารามิเตอร์หลัก

น้ำแข็งธรรมดาเรียกว่าน้ำแข็ง Ih (คำนำหน้า "h" หมายถึงระบบหกเหลี่ยม) บน ภาพประกอบ 7นำเสนอโครงสร้างผลึกประกอบด้วยพันธะหกเหลี่ยม (hexamers) ซึ่งมีรูปร่างแตกต่างกัน - หนึ่งในรูปแบบ อาบแดด(ภาษาอังกฤษ) แบบเก้าอี้) อีกรูปแบบหนึ่ง โกง (แบบฟอร์มเรือ- hexamers เหล่านี้สร้างส่วนสามมิติ - "เก้าอี้ยาว" สองอันอยู่ในแนวนอนที่ด้านบนและด้านล่างและ "เรือ" สามลำอยู่ในตำแหน่งแนวตั้ง

แผนภาพเชิงพื้นที่แสดงลำดับในการจัดเรียงพันธะไฮโดรเจนของน้ำแข็ง ฉันแต่ในความเป็นจริงแล้ว การเชื่อมต่อนั้นถูกสร้างขึ้นแบบสุ่ม อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์ไม่ได้ปฏิเสธว่าพันธะไฮโดรเจนบนพื้นผิวน้ำแข็งหกเหลี่ยมมีความเป็นระเบียบมากกว่าภายในโครงสร้าง

หน่วยเซลล์ของน้ำแข็งหกเหลี่ยม (นั่นคือ ปริมาตรต่ำสุดของผลึก ซึ่งการทำซ้ำซ้ำแล้วซ้ำอีกในสามมิติจะทำให้เกิดโครงผลึกทั้งหมดโดยรวม) ประกอบด้วยโมเลกุลของน้ำ 4 โมเลกุล ขนาดของเซลล์คือ 4.51 โอ๊คทั้งสองด้าน ก,ขและ 7.35 โอ๊คที่ด้าน c (ด้าน c หรือแกนในไดอะแกรมมีทิศทางแนวตั้ง) มุมระหว่างด้านข้างดังที่เห็นจาก ภาพประกอบ 4: α=β = 90°, γ = 120°- ระยะห่างระหว่างโมเลกุลข้างเคียงคือ 2.76 โอ๊ค.

ผลึกน้ำแข็งหกเหลี่ยมก่อตัวเป็นแผ่นและเสาหกเหลี่ยม ใบหน้าด้านบนและด้านล่างเป็นระนาบฐาน และใบหน้าด้านที่เหมือนกันทั้งหกด้านเรียกว่าปริซึม ( รูปที่ 10).

จำนวนโมเลกุลของน้ำขั้นต่ำที่จำเป็นสำหรับการตกผลึกเพื่อเริ่มต้นนั้นอยู่ที่ประมาณ 275 (±25)- โดยส่วนใหญ่ การก่อตัวของน้ำแข็งเกิดขึ้นบนพื้นผิวของมวลน้ำที่มีพรมแดนติดกับอากาศมากกว่าภายในมวลน้ำ ผลึกน้ำแข็งหยาบ ฉันก่อตัวอย่างช้าๆ ในทิศทางของแกน c เช่น ในน้ำนิ่ง พวกมันจะเติบโตในแนวตั้งลงมาจากแผ่นผลึก หรือในสภาวะที่การเติบโตไปด้านข้างได้ยาก น้ำแข็งเม็ดละเอียดที่ก่อตัวในน้ำปั่นป่วนหรือเมื่อแข็งตัวอย่างรวดเร็ว ได้เร่งการเจริญเติบโตจากพื้นผิวที่เป็นแท่งปริซึม อุณหภูมิของน้ำโดยรอบเป็นตัวกำหนดระดับการแตกกิ่งก้านของโครงผลึกน้ำแข็ง

อนุภาคของสารที่ละลายในน้ำ ยกเว้นอะตอมของฮีเลียมและไฮโดรเจนซึ่งมีขนาดที่อนุญาตให้พอดีกับโพรงของโครงสร้าง จะไม่รวมอยู่ในโครงตาข่ายคริสตัลที่ความดันบรรยากาศปกติ โดยถูกบังคับให้ออกไปยังพื้นผิวของคริสตัลหรือ เช่นเดียวกับในกรณีของความหลากหลายอสัณฐาน (เพิ่มเติมเกี่ยวกับเรื่องนี้ในบทความ) ก่อตัวเป็นชั้นระหว่างไมโครคริสตัล สามารถใช้วัฏจักรการแช่แข็งและการละลายน้ำติดต่อกันเพื่อทำให้น้ำบริสุทธิ์จากสิ่งเจือปน เช่น ก๊าซ (การกำจัดก๊าซ)

พร้อมด้วยน้ำแข็ง ฉันมีน้ำแข็งด้วย เข้าใจแล้ว (ระบบลูกบาศก์) อย่างไรก็ตาม โดยธรรมชาติแล้ว การก่อตัวของน้ำแข็งประเภทนี้บางครั้งอาจเกิดขึ้นได้ในชั้นบนของชั้นบรรยากาศเท่านั้น น้ำแข็งเทียม เข้าใจแล้วได้มาจากน้ำที่แช่แข็งทันที ซึ่งไอน้ำจะถูกควบแน่นบนเครื่องทำความเย็น 80 เพื่อลบ 110°ซพื้นผิวโลหะที่ความดันบรรยากาศปกติ จากผลการทดลอง ผลึกรูปทรงลูกบาศก์หรือรูปทรงแปดหน้าตกลงสู่พื้นผิว จะไม่สามารถสร้างลูกบาศก์น้ำแข็งของการดัดแปลงครั้งแรกจากน้ำแข็งหกเหลี่ยมธรรมดาโดยการลดอุณหภูมิลง แต่การเปลี่ยนจากลูกบาศก์เป็นหกเหลี่ยมสามารถทำได้โดยการให้ความร้อนกับน้ำแข็ง เข้าใจแล้วสูงกว่าลบ 80°ซ.

ในโครงสร้างโมเลกุลของน้ำแข็ง เข้าใจแล้วมุมพันธะไฮโดรเจนจะเหมือนกับ น้ำแข็งปกติ ฉัน – 109.5°- และนี่คือวงแหวนหกเหลี่ยมที่เกิดจากโมเลกุลในโครงตาข่ายน้ำแข็ง เข้าใจแล้วนำเสนอในรูปแบบของเก้าอี้ยาวเท่านั้น

ความหนาแน่นของน้ำแข็ง Ic คือ 0.92 g/cm³ ที่ความดัน 1 atm เซลล์หน่วยในผลึกลูกบาศก์มี 8 โมเลกุลและขนาด: a=b=c = 6.35 Å และมุม α=β=γ = 90°

ในบันทึกเรียนผู้อ่านในบทความนี้เราจะพบกับตัวบ่งชี้อุณหภูมิและความดันสำหรับน้ำแข็งประเภทใดประเภทหนึ่งซ้ำแล้วซ้ำอีก และหากค่าอุณหภูมิที่แสดงเป็นองศาเซลเซียสชัดเจนสำหรับทุกคน การรับรู้ค่าความดันอาจเป็นเรื่องยากสำหรับบางคน ในวิชาฟิสิกส์มีการใช้หน่วยต่าง ๆ ในการวัด แต่ในบทความของเราเราจะแสดงมันในบรรยากาศ (atm) โดยปัดเศษค่า ความดันบรรยากาศปกติคือ 1 atm ซึ่งเท่ากับ 760 mmHg หรือเกิน 1 บาร์หรือ 0.1 MPa (เมกะปาสกาล)

ตามที่คุณเข้าใจโดยเฉพาะจากตัวอย่างที่มีน้ำแข็ง เข้าใจแล้วการมีอยู่ของการดัดแปลงผลึกของน้ำแข็งเป็นไปได้ภายใต้สภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ เช่น เมื่อความสมดุลของอุณหภูมิและความดันที่กำหนดว่ามีน้ำแข็งชนิดผลึกใด ๆ ถูกรบกวน ประเภทนี้จะหายไปและเปลี่ยนเป็นการดัดแปลงแบบอื่น ช่วงของค่าทางอุณหพลศาสตร์เหล่านี้แตกต่างกันไปในแต่ละสายพันธุ์ ให้เราพิจารณาน้ำแข็งประเภทอื่น ๆ โดยไม่เรียงลำดับตามระบบการตั้งชื่ออย่างเคร่งครัด แต่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงทางโครงสร้างเหล่านี้

น้ำแข็ง ครั้งที่สองอยู่ในระบบตรีโกณมิติ สามารถขึ้นรูปได้จากแบบหกเหลี่ยมที่ความดันประมาณ 3,000 atm และอุณหภูมิประมาณลบ 75 ° C หรือจากการดัดแปลงอื่น ( ไอซ์ วี) โดยการลดความดันลงอย่างรวดเร็วที่อุณหภูมิลบ 35°C การดำรงอยู่ ครั้งที่สองประเภทของน้ำแข็งสามารถทำได้ในสภาวะลบ 170°C และความดันตั้งแต่ 1 ถึง 50,000 atm (หรือ 5 กิกะปาสคาล (GPa)) ตามที่นักวิทยาศาสตร์กล่าวว่าน้ำแข็งของการดัดแปลงนี้อาจเป็นส่วนหนึ่งของดาวเทียมน้ำแข็ง ดาวเคราะห์ที่อยู่ห่างไกลระบบสุริยะ. ความดันบรรยากาศปกติและอุณหภูมิสูงกว่าลบ 113°C ทำให้เกิดเงื่อนไขสำหรับน้ำแข็งประเภทนี้ที่จะเปลี่ยนเป็นน้ำแข็งหกเหลี่ยมธรรมดา

บน ภาพประกอบ 13ตาข่ายคริสตัลน้ำแข็งที่แสดง ครั้งที่สอง- มองเห็นได้ คุณลักษณะเฉพาะโครงสร้าง - ช่องหกเหลี่ยมกลวงชนิดหนึ่งที่เกิดจากพันธะโมเลกุล เซลล์หน่วย (พื้นที่ที่เน้นในภาพประกอบรูปสี่เหลี่ยมขนมเปียกปูน) ประกอบด้วยเอ็น 2 เส้นที่เลื่อนสัมพันธ์กัน หรือพูดง่ายๆ ก็คือ "ความสูง" เป็นผลให้เกิดระบบขัดแตะรูปสี่เหลี่ยมขนมเปียกปูน ขนาดเซลล์ a=b=c = 7.78 Å; α=β=γ = 113.1° ในเซลล์มี 12 โมเลกุล มุมพันธะระหว่างโมเลกุล (O–O–O) แตกต่างกันไปตั้งแต่ 80 ถึง 120°

เมื่อทำความร้อนการปรับเปลี่ยน II คุณจะได้รับน้ำแข็ง สามและในทางกลับกัน การทำความเย็นด้วยน้ำแข็ง สามทำให้มันกลายเป็นน้ำแข็ง ครั้งที่สอง- น้ำแข็งอีกด้วย สามเกิดขึ้นเมื่ออุณหภูมิของน้ำค่อยๆ ลดลงเหลือ -23°C เพิ่มความดันเป็น 3,000 atm
ดังที่เห็นได้ในแผนภาพเฟส ( ป่วย. 6) สภาวะทางอุณหพลศาสตร์สำหรับสถานะที่มั่นคงของน้ำแข็ง สามรวมถึงการดัดแปลงอื่น - น้ำแข็ง วีมีขนาดเล็ก

น้ำแข็ง สามและ วีมีสี่จุดสามจุดพร้อมการปรับเปลี่ยนโดยรอบ (ค่าทางอุณหพลศาสตร์ซึ่งสามารถดำรงอยู่ของสถานะต่าง ๆ ของสสารได้) อย่างไรก็ตามน้ำแข็ง ครั้งที่สอง, สามและ วีการปรับเปลี่ยนสามารถเกิดขึ้นได้ภายใต้สภาวะความดันบรรยากาศปกติและอุณหภูมิลบ 170°C และการให้ความร้อนจนถึงอุณหภูมิลบ 150°C ทำให้เกิดการก่อตัวของน้ำแข็ง เข้าใจแล้ว.

เมื่อเปรียบเทียบกับการปรับเปลี่ยนแรงดันสูงอื่นๆ ที่รู้จักในปัจจุบัน ก็คือน้ำแข็ง สามมีความหนาแน่นต่ำสุด - ที่ความดัน 3,500 atm มีค่าเท่ากับ 1.16 ก./ซม.³
น้ำแข็ง สามเป็นน้ำที่ตกผลึกแบบ tetragonal แต่มีโครงสร้างเป็นตาข่ายน้ำแข็งนั่นเอง สามมีการละเมิด หากแต่ละโมเลกุลมักจะล้อมรอบด้วย 4 โมเลกุลที่อยู่ใกล้เคียง ในกรณีนี้ ตัวบ่งชี้นี้จะมีค่า 3.2 และอาจมีโมเลกุลอีก 2 หรือ 3 โมเลกุลที่อยู่ใกล้เคียงที่ไม่มีพันธะไฮโดรเจน
ในการจัดเรียงเชิงพื้นที่ โมเลกุลจะก่อตัวเป็นเอนริเก้ทางขวา
ขนาดของเซลล์หน่วยที่มี 12 โมเลกุลที่อุณหภูมิลบ 23°C และประมาณ 2,800 atm: a=b = 6.66, c = 6.93 Å; α=β=γ = 90° มุมพันธะไฮโดรเจนอยู่ระหว่าง 87 ถึง 141°

บน ภาพประกอบ 15แผนภาพเชิงพื้นที่ของโครงสร้างโมเลกุลของน้ำแข็งถูกนำเสนอตามอัตภาพ สาม- โมเลกุล (จุด สีฟ้า) ซึ่งตั้งอยู่ใกล้กับตัวแสดงมากขึ้น จะแสดงขนาดใหญ่ขึ้น และพันธะไฮโดรเจน (เส้นสีแดง) จะหนาขึ้นตามลำดับ

และตอนนี้อย่างที่พวกเขาพูดกันร้อน ๆ เรามา "กระโดดข้าม" พวกที่ตามหลังน้ำแข็งกันเถอะ สามตามลำดับการตั้งชื่อ การดัดแปลงผลึก และพูดสองสามคำเกี่ยวกับน้ำแข็ง ทรงเครื่อง.
น้ำแข็งประเภทนี้เป็นน้ำแข็งดัดแปลงเป็นหลัก สามผ่านการทำความเย็นแบบลึกอย่างรวดเร็วตั้งแต่ลบ 65 ถึงลบ 108 ° C เพื่อหลีกเลี่ยงการเปลี่ยนเป็นน้ำแข็ง ครั้งที่สอง- น้ำแข็ง ทรงเครื่องยังคงมีเสถียรภาพที่อุณหภูมิต่ำกว่า 133°C และความดันตั้งแต่ 2,000 ถึง 4,000 atm ความหนาแน่นและโครงสร้างเหมือนกัน สามใจแต่ไม่เหมือนน้ำแข็ง สามในโครงสร้างน้ำแข็ง ทรงเครื่องมีความเป็นระเบียบในการจัดเรียงโปรตอน
ทำความร้อนน้ำแข็ง ทรงเครื่องไม่กลับคืนสู่สภาพเดิม สามดัดแปลงแต่กลายเป็นน้ำแข็ง ครั้งที่สอง- ขนาดของเซลล์: a=b = 6.69, c = 6.71 Å ที่อุณหภูมิลบ 108°C และ 2800 atm

อนึ่งนักเขียนนิยายวิทยาศาสตร์เรื่อง Cat's Cradle ของเคิร์ต วอนเนกัตในปี 1963 มีศูนย์กลางอยู่ที่สสารที่เรียกว่าไอซ์ไนน์ ซึ่งอธิบายว่าเป็นวัสดุที่มนุษย์สร้างขึ้นซึ่งก่อให้เกิดอันตรายร้ายแรงต่อชีวิตเนื่องจากน้ำจะตกผลึกเมื่อสัมผัสกับมัน และกลายเป็นน้ำแข็งไนน์ การที่สารนี้เข้ามาแม้แต่ปริมาณเล็กน้อยลงสู่น่านน้ำธรรมชาติที่หันหน้าเข้าหามหาสมุทรโลกอาจเป็นภัยคุกคามต่อการแช่แข็งน้ำทั้งหมดบนโลก ซึ่งหมายถึงการตายของสิ่งมีชีวิตทั้งหมด ในท้ายที่สุดนั่นคือสิ่งที่เกิดขึ้น

ไอซ์ที่ 4เป็นรูปแบบสามเหลี่ยมที่แพร่กระจายได้ (เสถียรน้อย) ของโครงตาข่ายคริสตัล การดำรงอยู่ของมันเป็นไปได้ในอวกาศเฟสของน้ำแข็ง สาม, วีและ วีการปรับเปลี่ยน หาน้ำแข็งหน่อย IVสามารถผลิตได้จากน้ำแข็งอสัณฐานความหนาแน่นสูงโดยค่อยๆ ให้ความร้อน โดยเริ่มจากอุณหภูมิลบ 130°C ที่ความดันคงที่ 8,000 atm
ขนาดของเซลล์หน่วยสี่เหลี่ยมขนมเปียกปูนคือ 7.60 Å, มุม α=β=γ = 70.1° เซลล์ประกอบด้วย 16 โมเลกุล; พันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุลไม่สมมาตร ที่ความดัน 1 atm และอุณหภูมิลบ 163°C ความหนาแน่นของน้ำแข็ง IV คือ 1.27 g/cm³ มุมพันธะ O–O–O: 88–128°

เช่นเดียวกัน IVชนิดของน้ำแข็งที่ก่อตัวเป็นน้ำแข็ง สิบสอง– โดยการให้ความร้อนแก่การดัดแปลงอสัณฐานความหนาแน่นสูง (ดูข้อมูลเพิ่มเติมด้านล่าง) จากลบ 196 ถึงลบ 90°C ที่ความดันเท่ากันที่ 8,000 atm แต่ด้วยความเร็วที่สูงกว่า
น้ำแข็ง สิบสองยังแพร่กระจายได้ในภูมิภาคเฟส วีและ วีประเภทผลึก เป็นระบบเตตระโกนัลประเภทหนึ่ง
เซลล์หน่วยประกอบด้วย 12 โมเลกุล ซึ่งเนื่องจากพันธะไฮโดรเจนที่มีมุม 84–135° จึงอยู่ในโครงตาข่ายคริสตัล ทำให้เกิดเป็นเกลียวคู่ที่ถนัดขวา เซลล์มีขนาด: a=b = 8.27, c = 4.02 Å; มุม α=β=γ = 90° ความหนาแน่น ไอซ์ 12อยู่ที่ 1.30 ก./ซม. ที่ความดันบรรยากาศปกติ และอุณหภูมิลบ 146°C มุมพันธะไฮโดรเจน: 67–132°

จากการดัดแปลงของน้ำแข็งที่ค้นพบในปัจจุบัน น้ำแข็งมีโครงสร้างผลึกที่ซับซ้อนที่สุด วี- โมเลกุล 28 โมเลกุลประกอบกันเป็นเซลล์หน่วย พันธะไฮโดรเจนขยายช่องว่างในสารประกอบโมเลกุลอื่นๆ และโมเลกุลบางชนิดจะเกิดพันธะกับสารประกอบบางชนิดเท่านั้น มุมของพันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุลข้างเคียงจะแตกต่างกันอย่างมาก - จาก 86 ถึง 132° ดังนั้นในโครงผลึกน้ำแข็ง วีมีความตึงเครียดและมีพลังงานมหาศาล
พารามิเตอร์ของเซลล์ภายใต้สภาวะความดันบรรยากาศและอุณหภูมิปกติลบ 175°C: a= 9.22, b= 7.54, c= 10.35 Å; α=β = 90°, γ = 109.2°
น้ำแข็ง วีเป็นพันธุ์โมโนคลินิกที่เกิดขึ้นจากน้ำหล่อเย็นที่อุณหภูมิลบ 20°C ที่ความดันประมาณ 5,000 atm ความหนาแน่นของโครงผลึกเมื่อคำนึงถึงความดัน 3,500 atm คือ 1.24 g/cm³
แผนภาพเชิงพื้นที่ของโครงผลึกน้ำแข็ง วีประเภทที่แสดงใน ภาพประกอบ 18- พื้นที่ของเซลล์หน่วยของคริสตัลถูกเน้นด้วยโครงร่างสีเทา

ลำดับการจัดเรียงโปรตอนในโครงสร้างของน้ำแข็ง วีทำให้เป็นอีกพันธุ์หนึ่งที่เรียกว่าน้ำแข็ง สิบสาม- การดัดแปลงโมโนคลินิกนี้สามารถได้รับโดยน้ำหล่อเย็นที่อุณหภูมิต่ำกว่าลบ 143°C ด้วยการเติมกรดไฮโดรคลอริก (HCl) เพื่ออำนวยความสะดวกในการเปลี่ยนเฟส โดยสร้างแรงดัน 5,000 atm การเปลี่ยนแปลงแบบย้อนกลับจาก สิบสามประเภทเค วีสามารถใช้งานได้ในช่วงอุณหภูมิตั้งแต่ลบ 193°C ถึงลบ 153°C
ขนาดหน่วยเซลล์น้ำแข็ง สิบสามแตกต่างเล็กน้อยจาก วีการปรับเปลี่ยน: a= 9.24, b= 7.47, c= 10.30 Å; α=β = 90°, γ= 109.7° (ที่ 1 atm ลบ 193°С) จำนวนโมเลกุลในเซลล์เท่ากัน - 28 มุมพันธะไฮโดรเจน: 82–135°

ในส่วนถัดไปของบทความ เราจะทบทวนการปรับเปลี่ยนน้ำแข็งในน้ำต่อไป

พบกันที่หน้าบล็อกของเรา!

สภาพน้ำ.

น้ำสามารถอยู่ในสถานะรวมสามสถานะหรือระยะ: ของแข็ง (น้ำแข็ง) ของเหลว (ตัวน้ำเอง) ก๊าซ (ไอน้ำ) เป็นสิ่งสำคัญมากที่เมื่อพิจารณาถึงช่วงความดันบรรยากาศและอุณหภูมิที่มีอยู่จริงบนโลก น้ำสามารถอยู่ในสถานะการรวมตัวที่แตกต่างกันไปพร้อมๆ กัน ในแง่นี้ น้ำแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญจากสารทางกายภาพอื่นๆ ซึ่งพบได้ภายใต้สภาวะทางธรรมชาติโดยส่วนใหญ่อยู่ในสถานะของแข็ง (แร่ธาตุ โลหะ) หรือในสถานะก๊าซ (O 2, N 2, CO 2 ฯลฯ)

การเปลี่ยนแปลงสถานะรวมของสารเรียกว่าการเปลี่ยนเฟส ในกรณีเหล่านี้ คุณสมบัติของสาร (เช่น ความหนาแน่น) จะเปลี่ยนไปอย่างกะทันหัน การเปลี่ยนเฟสจะมาพร้อมกับการปล่อยหรือการดูดกลืนพลังงาน ซึ่งเรียกว่าความร้อนของการเปลี่ยนเฟส (“ความร้อนแฝง”)

การพึ่งพาสถานะรวมของน้ำกับความดันและอุณหภูมิแสดงโดยแผนภาพสถานะของน้ำหรือแผนภาพเฟส (รูปที่ 5.1.1)

เส้นโค้ง BB"O ในรูปที่ 5.1.1 เรียกว่าเส้นโค้งการหลอมเหลว เมื่อผ่านเส้นโค้งนี้จากซ้ายไปขวา การหลอมละลายจะเกิดขึ้น

ข้าว. 5.1.1. แผนภาพน้ำ

I – VIII - การดัดแปลงน้ำแข็งต่างๆ

น้ำแข็งและจากขวาไปซ้าย - การก่อตัวของน้ำแข็ง (การตกผลึกของน้ำ) เส้นโค้ง OK เรียกว่าเส้นโค้งการกลายเป็นไอ เมื่อผ่านโค้งนี้ จะสังเกตการเดือดของน้ำจากซ้ายไปขวา และการควบแน่นของไอน้ำจะสังเกตจากขวาไปซ้าย เส้นโค้ง AO เรียกว่าเส้นโค้งระเหิดหรือเส้นโค้งระเหิด เมื่อข้ามจากซ้ายไปขวา น้ำแข็งจะระเหย (การระเหิด) และจากขวาไปซ้าย จะเกิดการควบแน่นเป็นสถานะของแข็ง (หรือการระเหิด)

ที่จุด O (ที่เรียกว่าจุดสามจุดที่ความดัน 610 Pa และอุณหภูมิ 0.01 ° C หรือ 273.16 K) น้ำจะพร้อมกันในทั้งสามสถานะของการรวมตัว

อุณหภูมิที่น้ำแข็งละลาย (หรือน้ำตกผลึก) เรียกว่าอุณหภูมิหรือจุดหลอมเหลว T pl อุณหภูมินี้สามารถเรียกว่าอุณหภูมิหรือจุดเยือกแข็ง T sub

จากพื้นผิวของน้ำ เช่นเดียวกับน้ำแข็งและหิมะ โมเลกุลจำนวนหนึ่งจะถูกฉีกออกและถูกพาไปในอากาศอย่างต่อเนื่อง ก่อตัวเป็นโมเลกุลของไอน้ำ ในเวลาเดียวกัน โมเลกุลของไอน้ำบางส่วนจะกลับคืนสู่ผิวน้ำ หิมะ และน้ำแข็ง หากกระบวนการแรกมีอิทธิพลเหนือกว่า การระเหยของน้ำจะเกิดขึ้น หากกระบวนการที่สองเกิดขึ้น ไอน้ำจะควบแน่น ตัวควบคุมทิศทางและความเข้มของกระบวนการเหล่านี้คือการขาดความชื้น - ความแตกต่างระหว่างความยืดหยุ่นของไอน้ำที่ทำให้พื้นที่อิ่มตัวที่ความดันอากาศและอุณหภูมิของผิวน้ำที่กำหนด (หิมะ น้ำแข็ง) และความยืดหยุ่นของไอน้ำ มีอยู่จริงในอากาศ กล่าวคือ ความชื้นสัมบูรณ์อากาศ. ปริมาณไอน้ำอิ่มตัวในอากาศและความยืดหยุ่นจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น (ที่ความดันปกติ) ดังนี้ ที่อุณหภูมิ O°C ปริมาณและความยืดหยุ่นของไอน้ำอิ่มตัวคือ 4.856 g/m3 และ 6.1078 hPa ตามลำดับ ที่อุณหภูมิ 20°C - 30.380 g/m3 และ 23.373 hPa ที่ 40°C - 51.127 g/ ลบ.ม. และ 73.777 hPa

การระเหยจากผิวน้ำ (น้ำแข็ง หิมะ) รวมถึงดินชื้น เกิดขึ้นที่อุณหภูมิใดๆ และยิ่งเข้มข้นมากเท่าใด ความชื้นก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ความยืดหยุ่นของไอน้ำที่ทำให้พื้นที่อิ่มตัวเพิ่มขึ้น และการระเหยจะเร่งตัวขึ้น การระเหยที่เพิ่มขึ้นยังส่งผลให้ความเร็วการเคลื่อนที่ของอากาศเหนือพื้นผิวการระเหยเพิ่มขึ้น (เช่น ความเร็วลมในสภาพธรรมชาติ) การเพิ่มความเข้มของมวลแนวตั้งและการถ่ายเทความร้อน

เมื่อการระเหยเข้มข้นไม่เพียงแต่ครอบคลุมพื้นผิวอิสระของน้ำเท่านั้น แต่ยังรวมถึงความหนาของน้ำที่เกิดการระเหยด้วย พื้นผิวด้านในฟองสบู่เกิดขึ้น กระบวนการเดือดจะเริ่มขึ้น อุณหภูมิที่ความดันไอน้ำอิ่มตัวเท่ากับความดันภายนอกเรียกว่าอุณหภูมิหรือจุดเดือด T bp

ที่ความดันบรรยากาศปกติ (1.013 105 Pa = 1.013 bar = 1 atm = 760 mm Hg) จุดเยือกแข็งของน้ำ (น้ำแข็งละลาย) และจุดเดือด (การควบแน่น) สอดคล้องกับ 0 และ 100 °ในระดับเซลเซียส

จุดเยือกแข็ง Tzam และจุดเดือดของน้ำ Tbip ขึ้นอยู่กับความดัน (ดูรูปที่ 3.9.2) ในช่วงความดันเปลี่ยนจาก 610 เป็น 1.013 105 Pa (หรือ 1 atm) อุณหภูมิเยือกแข็งจะลดลงเล็กน้อย (จาก 0.01 ถึง 0 ° C) จากนั้นเมื่อความดันเพิ่มขึ้นเป็นประมาณ 6 107 Pa (600 atm) T อุณหภูมิเยือกแข็งลดลง ถึง -5 ° C โดยความดันเพิ่มขึ้นเป็น 2.2 108 Pa (2,200 atm) Tdz จะลดลงเหลือ -22 ° C เมื่อความดันเพิ่มขึ้นอีก Tdz ก็เริ่มเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ที่ความดันสูงมากจะเกิด "การดัดแปลง" พิเศษของน้ำแข็ง (II-VIII) ซึ่งมีคุณสมบัติแตกต่างจากน้ำแข็งธรรมดา (น้ำแข็ง I)

ที่ความดันบรรยากาศจริงบนโลก น้ำจืดกลายเป็นน้ำแข็งที่อุณหภูมิประมาณ 0 ° C ที่ระดับความลึกสูงสุดในมหาสมุทร (ประมาณ 11 กม.) ความดันเกิน 108 Pa หรือ 1,000 atm (ความลึกเพิ่มขึ้นทุกๆ 10 เมตร ความดันจะเพิ่มขึ้นประมาณ 105 Pa หรือ 1 ATM). ที่ความดันนี้ จุดเยือกแข็งของน้ำจืดจะอยู่ที่ประมาณ -12° C

เพื่อลดจุดเยือกแข็งของน้ำ

ความเค็มของมันมีอิทธิพลต่อ

1.4) ความเค็มที่เพิ่มขึ้นทุกๆ 10‰ จะลด T ลงประมาณ 0.54° C:

T รอง = -0.054 ส.

จุดเดือดลดลงตามความดันที่ลดลง (ดูรูปที่ 3.9.2) ดังนั้นที่ระดับความสูงบนภูเขาน้ำจะเดือดที่อุณหภูมิต่ำกว่า 100 ° C ด้วยความดันที่เพิ่มขึ้น T Boil จะเพิ่มขึ้นถึงจุดที่เรียกว่า "จุดวิกฤต" เมื่อที่ p = 2.2 107 Pa และ T เดือด = 374 ° C น้ำมีคุณสมบัติทั้งของเหลวและก๊าซในเวลาเดียวกัน

แผนภาพสถานะของน้ำแสดงให้เห็นถึง "ความผิดปกติ" ของน้ำสองประการ ซึ่งมีอิทธิพลชี้ขาดไม่เพียงแต่ต่อ "พฤติกรรม" ของน้ำบนโลกเท่านั้น แต่ยังรวมถึง สภาพธรรมชาติดาวเคราะห์โดยรวม เมื่อเปรียบเทียบกับสารที่เป็นสารประกอบของไฮโดรเจนกับธาตุที่พบใน ตารางธาตุ Mendeleev อยู่ในระดับเดียวกับออกซิเจน - เทลลูเรียม Te, ซีลีเนียม Se และซัลเฟอร์ S จุดเยือกแข็งและจุดเดือดของน้ำสูงผิดปกติ เมื่อพิจารณาถึงความสัมพันธ์ตามธรรมชาติระหว่างจุดเยือกแข็งและจุดเดือดกับจำนวนมวลของสารดังกล่าว เราคาดว่าน้ำจะมีอุณหภูมิเยือกแข็งประมาณ -90° C และมีจุดเดือดประมาณ -70° C ค่าที่สูงผิดปกติ ​อุณหภูมิเยือกแข็งและจุดเดือดจะกำหนดล่วงหน้าถึงความเป็นไปได้ของการมีอยู่ของน้ำบนโลก เช่นเดียวกับในสถานะของแข็งและของเหลว และทำหน้าที่เป็นเงื่อนไขในการกำหนดกระบวนการทางอุทกวิทยาหลักและกระบวนการทางธรรมชาติอื่นๆ บนโลก

ความหนาแน่นของน้ำ

ความหนาแน่นเป็นลักษณะทางกายภาพที่สำคัญที่สุดของสารใดๆ แสดงถึงมวลของสารที่เป็นเนื้อเดียวกันต่อหน่วยปริมาตร:

โดยที่ m คือมวล V คือปริมาตร ความหนาแน่น p มีมิติเป็น กก./ลบ.ม.

ความหนาแน่นของน้ำก็เหมือนกับสารอื่นๆ ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและความดันเป็นหลัก (และสำหรับน้ำธรรมชาติ รวมถึงปริมาณของแข็งแขวนลอยที่ละลายและกระจายตัวละเอียดด้วย) และเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันระหว่างการเปลี่ยนเฟส เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ความหนาแน่นของน้ำก็เช่นกัน สารอื่นใด ในช่วงการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิส่วนใหญ่จะลดลง ซึ่งสัมพันธ์กับการเพิ่มระยะห่างระหว่างโมเลกุลเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น รูปแบบนี้จะถูกละเมิดเฉพาะเมื่อน้ำแข็งละลายและเมื่อน้ำร้อนในช่วง 0 ถึง 4° (หรือแม่นยำยิ่งขึ้นคือ 3.98° C) มีการระบุ “กายวิภาค” ของน้ำที่สำคัญมากอีกสองประการไว้ที่นี่: 1) ความหนาแน่นของน้ำในสถานะของแข็ง (น้ำแข็ง) น้อยกว่าในสถานะของเหลว (น้ำ) ซึ่งไม่ใช่กรณีของสารอื่นๆ ส่วนใหญ่; 2) ในช่วงอุณหภูมิของน้ำตั้งแต่ 0 ถึง 4 ° C ความหนาแน่นของน้ำจะไม่ลดลงตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น แต่เพิ่มขึ้น คุณสมบัติของการเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นของน้ำนั้นสัมพันธ์กับการปรับโครงสร้างโครงสร้างโมเลกุลของน้ำใหม่ “ความผิดปกติ” ของน้ำทั้งสองนี้มีความสำคัญทางอุทกวิทยาอย่างมาก น้ำแข็งเบากว่าน้ำ และดังนั้นจึง “ลอย” บนพื้นผิว อ่างเก็บน้ำมักจะไม่แข็งตัวจนถึงด้านล่าง เนื่องจากน้ำจืดที่ถูกทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิต่ำกว่า 4° จะมีความหนาแน่นน้อยลง และดังนั้นจึงยังคงอยู่ในชั้นผิว

ความหนาแน่นของน้ำแข็งขึ้นอยู่กับโครงสร้างและอุณหภูมิ น้ำแข็งที่มีรูพรุนอาจมีความหนาแน่นต่ำกว่าที่ระบุไว้ในตารางที่ 1.1 มาก ความหนาแน่นของหิมะยังน้อยอีกด้วย หิมะที่ตกใหม่มีความหนาแน่น 80-140 กก./ลบ.ม. ความหนาแน่นของหิมะอัดจะค่อยๆ เพิ่มขึ้นจาก 140-300 (ก่อนเริ่มละลาย) เป็น 240-350 (เมื่อเริ่มละลาย) และ 300-450 กก./ลบ.ม. (ในตอนท้ายของการละลาย) หิมะเปียกที่หนาแน่นสามารถมีความหนาแน่นได้สูงถึง 600-700 กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร เกล็ดหิมะในระหว่างการละลายมีความหนาแน่น 400-600 หิมะถล่ม 500-650 กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร ชั้นของน้ำที่เกิดขึ้นเมื่อน้ำแข็งและหิมะละลายขึ้นอยู่กับความหนาของชั้นน้ำแข็งหรือหิมะและความหนาแน่นของชั้นนั้น ปริมาณน้ำในน้ำแข็งหรือหิมะเท่ากับ:

ชั่วโมง ใน = อา ล r l / r

โดยที่ h l คือความหนาของชั้นน้ำแข็งหรือหิมะ r l คือความหนาแน่นของพวกมัน p คือความหนาแน่นของน้ำและเป็นตัวคูณที่กำหนดโดยอัตราส่วนของขนาด h ในและ h l: หากชั้นน้ำแสดงเป็นหน่วยมิลลิเมตร และความหนาของน้ำแข็ง (หิมะ) มีหน่วยเป็น cm แล้ว a=10 โดยมีมิติเท่ากัน a=1

ความหนาแน่นของน้ำก็เปลี่ยนแปลงไปขึ้นอยู่กับเนื้อหาของสารที่ละลายในนั้นและเพิ่มขึ้นตามความเค็มที่เพิ่มขึ้น (รูปที่ 1.5) ความหนาแน่นของน้ำทะเลที่ความดันปกติสามารถสูงถึง 1,025-1,033 กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร

ผลรวมของอุณหภูมิและความเค็มต่อความหนาแน่นของน้ำที่ความดันบรรยากาศแสดงโดยใช้สมการที่เรียกว่าสมการสถานะของน้ำทะเล สมการดังกล่าวในรูปแบบเชิงเส้นที่ง่ายที่สุดเขียนได้ดังนี้:

พี = พี โอ (1 - α 1 T + α 2 S)

โดยที่ T คืออุณหภูมิของน้ำ, °C, S คือความเค็มของน้ำ, ‰, p o คือความหนาแน่นของน้ำที่ T = 0 และ S = 0, α 1 และ α 2 เป็นพารามิเตอร์

ความเค็มที่เพิ่มขึ้นยังทำให้อุณหภูมิความหนาแน่นสูงสุด (°C) ลดลงตามสูตรอีกด้วย

T max.pl = 4 - 0.215 ส.

ข้าว. 5.2.1. การขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของน้ำที่ความดันบรรยากาศปกติกับอุณหภูมิและความเค็มของน้ำ

ความเค็มที่เพิ่มขึ้นทุกๆ 10‰ จะลด Tmax ลงประมาณ 2° C การขึ้นต่อกันของอุณหภูมิของความหนาแน่นสูงสุดและอุณหภูมิเยือกแข็งต่อความเค็มของน้ำแสดงตัวอย่างด้วยกราฟที่เรียกว่ากราฟ Helland-Hansen (ดูรูปที่ 3.10.1) .

ความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิที่มีความหนาแน่นสูงสุดและการแช่แข็งมีอิทธิพลต่อธรรมชาติของกระบวนการทำความเย็นด้วยน้ำและการพาความร้อนในแนวตั้ง - การผสมที่เกิดจากความหนาแน่นที่แตกต่างกัน การระบายความร้อนของน้ำอันเป็นผลมาจากการแลกเปลี่ยนความร้อนกับอากาศทำให้ความหนาแน่นของน้ำเพิ่มขึ้นและส่งผลให้น้ำที่มีความหนาแน่นลดลงลดลง น้ำอุ่นและมีความหนาแน่นน้อยกว่าจะเข้ามาแทนที่ กระบวนการพาความหนาแน่นแนวตั้งเกิดขึ้น อย่างไรก็ตาม สำหรับน้ำจืดและน้ำกร่อยที่มีความเค็มน้อยกว่า 24.7‰ กระบวนการนี้จะดำเนินต่อไปจนกว่าน้ำจะมีอุณหภูมิความหนาแน่นสูงสุดเท่านั้น (ดูรูปที่ 1.4) การระบายความร้อนของน้ำเพิ่มเติมจะทำให้ความหนาแน่นลดลงและการพาความร้อนในแนวตั้งจะหยุดลง น้ำเค็มที่ S>24.7‰ จะมีการพาความร้อนในแนวตั้งจนกว่าจะแข็งตัว

ดังนั้น ในน้ำจืดหรือน้ำกร่อยในฤดูหนาว ในขอบฟ้าใกล้ล่าง อุณหภูมิของน้ำจะสูงกว่าอุณหภูมิพื้นผิว และตามกราฟของเฮลลันด์-แฮนเซน อุณหภูมิจะสูงกว่าอุณหภูมิเยือกแข็งเสมอ สถานการณ์นี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการอนุรักษ์ชีวิตในแหล่งน้ำในระดับความลึก หากน้ำมีอุณหภูมิเดียวกันโดยมีความหนาแน่นและจุดเยือกแข็งมากที่สุด เช่นเดียวกับของเหลวอื่นๆ อ่างเก็บน้ำก็อาจแข็งตัวจนกลายเป็นน้ำแข็งได้ ส่งผลให้สิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่เสียชีวิตอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้

การเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นของน้ำที่ "ผิดปกติ" เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลงทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงปริมาตรน้ำที่ "ผิดปกติ" แบบเดียวกัน: เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นจาก 0 เป็น 4 ° C ปริมาตรจะเป็นทางเคมี น้ำสะอาดลดลงและเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นอีกก็จะเพิ่มขึ้นเท่านั้น ปริมาตรของน้ำแข็งจะมากกว่าปริมาตรของมวลน้ำเดียวกันอย่างเห็นได้ชัดเสมอ (จำไว้ว่าท่อแตกเมื่อน้ำกลายเป็นน้ำแข็งได้อย่างไร)

การเปลี่ยนแปลงปริมาตรของน้ำเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลงสามารถแสดงได้ด้วยสูตร

วี T1 = วี T2 (1 + β DT)

โดยที่ V T1 คือปริมาตรของน้ำที่อุณหภูมิ T1, V T2 คือปริมาตรของน้ำที่ T2, β คือสัมประสิทธิ์การขยายตัวของปริมาตรซึ่งรับค่าลบที่อุณหภูมิ 0 ถึง 4 ° C และค่าบวกที่ อุณหภูมิของน้ำสูงกว่า 4 ° C และน้อยกว่า 0 ° C ( น้ำแข็ง) (ดูตาราง 1.1)

แรงดันยังส่งผลต่อความหนาแน่นของน้ำด้วย การอัดตัวของน้ำมีขนาดเล็กมาก แต่ที่ระดับความลึกมากในมหาสมุทร ก็ยังคงส่งผลต่อความหนาแน่นของน้ำ ทุกๆ ความลึก 1,000 ม. ความหนาแน่นเนื่องจากอิทธิพลของแรงดันของคอลัมน์น้ำจะเพิ่มขึ้น 4.5-4.9 กก./ลบ.ม. ดังนั้น ที่ระดับความลึกของมหาสมุทรสูงสุด (ประมาณ 11 กม.) ความหนาแน่นของน้ำจะมากกว่าพื้นผิวประมาณ 48 กิโลกรัม/ลูกบาศก์เมตร และที่ S = 35‰ จะอยู่ที่ประมาณ 1,076 กิโลกรัม/ลูกบาศก์เมตร หากน้ำไม่สามารถอัดตัวได้โดยสิ้นเชิง ระดับมหาสมุทรของโลกจะสูงกว่าระดับความเป็นจริงถึง 30 เมตร การอัดน้ำได้ต่ำทำให้การวิเคราะห์อุทกพลศาสตร์ของการเคลื่อนที่ของน้ำธรรมชาติง่ายขึ้นอย่างมาก

อิทธิพลของตะกอนแขวนลอยละเอียดต่อลักษณะทางกายภาพของน้ำและโดยเฉพาะอย่างยิ่งต่อความหนาแน่นยังไม่ได้รับการศึกษาอย่างเพียงพอ เชื่อกันว่าความหนาแน่นของน้ำจะได้รับอิทธิพลจากสารแขวนลอยที่มีความเข้มข้นสูงเป็นพิเศษเท่านั้น ซึ่งไม่สามารถแยกน้ำและตะกอนออกจากกันได้อีกต่อไป ดังนั้นโคลนบางประเภทที่มีน้ำเพียง 20-30% จึงเป็นสารละลายดินเหนียวที่มีความหนาแน่นเพิ่มขึ้น อีกตัวอย่างหนึ่งของอิทธิพลของตะกอนขนาดเล็กต่อความหนาแน่นคือน้ำของแม่น้ำเหลืองที่ไหลลงสู่อ่าวทะเลเหลือง ด้วยปริมาณตะกอนละเอียดที่สูงมาก (มากถึง 220 กก./ลบ.ม.) น้ำในแม่น้ำโคลนจึงมีความหนาแน่นมากกว่า 2-2.5 กก./ลบ.ม. น้ำทะเล(ความหนาแน่น ณ ความเค็มและอุณหภูมิจริงคือประมาณ 1,018 กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร) ดังนั้นพวกมันจึง "ดำดิ่ง" ลงลึกและลงมาตามก้นทะเล ก่อให้เกิดกระแสน้ำ "หนาแน่น" หรือ "ขุ่น"

ในเคมีฟิสิกส์ ระบบคือร่างกายหรือกลุ่มของวัตถุที่แยกออกจากโลกวัตถุและมีขอบเขตที่แน่นอนที่แยกพวกมันออกจากสิ่งแวดล้อม ระบบต่างๆ ก็ได้ เป็นเนื้อเดียวกันและ ต่างกัน- ระบบจะเป็นเนื้อเดียวกันหากแต่ละพารามิเตอร์มีค่าเท่ากันในทุกส่วนหรือเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง ตัวอย่างเช่น น้ำกลั่น (ในภาชนะใดๆ ก็ตาม) เป็นระบบที่เป็นเนื้อเดียวกัน เนื่องจาก ณ จุดใดก็ตาม คุณสมบัติทั้งหมดของน้ำนี้จะเท่ากัน (ความหนาแน่น การนำไฟฟ้า การนำความร้อน ฯลฯ) หรือเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องจากศูนย์กลางของ ระบบถึงขอบเขต (เช่น อุณหภูมิ) . ระบบที่เป็นเนื้อเดียวกันประกอบด้วยส่วนผสมของก๊าซ สารละลายโมเลกุล และไอออนิก

ระบบที่ต่างกันประกอบด้วยชิ้นส่วนขนาดมหภาคหลายส่วนที่แยกจากกันด้วยส่วนต่อประสานที่มองเห็นได้ บนพื้นผิวเหล่านี้ พารามิเตอร์บางตัวเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหัน หากคุณสร้างสารละลายอิ่มตัวของเกลือใด ๆ ในน้ำซึ่งมีเกลือแข็งอยู่ที่ด้านล่างของภาชนะ ระบบ "สารละลาย + เกลือแข็ง" ดังกล่าวจะต่างกัน ในตัวอย่างนี้ องค์ประกอบทางเคมีและความหนาแน่นเปลี่ยนแปลงกะทันหันที่ส่วนต่อประสาน เรียกว่าส่วนที่เป็นเนื้อเดียวกันของระบบซึ่งแยกออกจากส่วนที่เหลือด้วยอินเทอร์เฟซที่มองเห็นได้ เฟส- ตัวอย่างเช่น การสะสมของผลึกเกลือในสารละลายอิ่มตัวจะประกอบขึ้นเป็นเฟสเดียว และสารละลายที่อยู่เหนือเกลือแข็งจะประกอบเป็นอีกเฟสหนึ่ง

สถานะของระบบอธิบายได้จากคุณสมบัติทั้งหมด (หรือคุณสมบัติของเฟส) - อุณหภูมิ, ความดัน, มวล, ความหนาแน่น องค์ประกอบทางเคมีตลอดจนการเชื่อมโยงระหว่างการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติเหล่านี้

สารแต่ละชนิดที่สามารถแยกออกจากระบบและมีอยู่ภายนอกได้เรียกว่าสารที่เป็นส่วนประกอบ ในสารละลายโซเดียมคลอไรด์ที่เป็นน้ำ สารที่เป็นส่วนประกอบอาจเป็น H 2 O และ NaCl แต่ไม่ใช่ Na + และ Cl - ไอออน เนื่องจากพวกมันไม่สามารถอยู่นอกสารละลายได้

คุณลักษณะที่สำคัญของระบบคือจำนวนส่วนประกอบ (k) ซึ่งเข้าใจว่าเป็นจำนวนส่วนประกอบที่น้อยที่สุดของสารซึ่งสามารถอธิบายองค์ประกอบแต่ละเฟสของระบบแยกกันได้

หากระบบไม่รั่วไหล ปฏิกริยาเคมีจำนวนส่วนประกอบเท่ากับจำนวนสารที่เป็นส่วนประกอบ ตัวอย่างเช่น ในระบบเฟสเดียวของก๊าซฮีเลียม ไฮโดรเจน และอาร์กอน จำนวนส่วนประกอบจะเท่ากับจำนวนของสารที่เป็นส่วนประกอบ เช่น สาม เนื่องจากปฏิกิริยาระหว่างก๊าซเหล่านี้เป็นไปไม่ได้

ในระบบที่สารที่เป็นส่วนประกอบสามารถทำงานร่วมกันได้ จำนวนส่วนประกอบจะน้อยกว่าจำนวนส่วนประกอบของสารเสมอ ตัวอย่างเช่น ก๊าซไฮโดรเจนและไอโอดีนทำปฏิกิริยาจนเกิดก๊าซไฮโดรเจนไอโอไดด์ ในระบบนี้

H 2 (ก.) + ฉัน 2 (ก.) = 2HL (ก.)

ความเข้มข้นของสารที่เป็นส่วนประกอบ ณ สมดุลนั้นสัมพันธ์กันโดยสมการ

2 / = เค,

โดยที่ K คือค่าคงที่สมดุลซึ่งมีค่าที่แน่นอน ณ อุณหภูมิที่กำหนด ในกรณีนี้ เพื่อกำหนดองค์ประกอบของระบบสมดุล ก็เพียงพอที่จะทราบความเข้มข้นของสารที่เป็นส่วนประกอบสองชนิด เนื่องจากความเข้มข้นของสารตัวที่สามถูกกำหนดโดยสมการ กล่าวอีกนัยหนึ่ง ระบบมีสององค์ประกอบ ในกรณีทั่วไป จำนวนส่วนประกอบจะเท่ากับจำนวนของสารที่เป็นส่วนประกอบ ลบด้วยจำนวนสมการที่เกี่ยวข้องกับความเข้มข้นของสารเหล่านี้ในระบบสมดุล

เพื่ออธิบายระบบ จำเป็นต้องมีพารามิเตอร์อีกหนึ่งตัว - จำนวนองศาอิสระด้วยซึ่งหมายถึงจำนวนของตัวแปรอิสระ (อุณหภูมิ ความดัน ความเข้มข้นของสารที่เป็นส่วนประกอบ) ที่กำหนดสถานะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ของระบบ ค่าของตัวแปรเหล่านี้สามารถเปลี่ยนแปลงได้ตามอำเภอใจภายในขอบเขตที่กำหนดโดยไม่ต้องเปลี่ยนจำนวนและประเภทของเฟสในระบบ ขึ้นอยู่กับจำนวนระดับความเป็นอิสระ ระบบต่างๆ จะถูกเรียกว่าไม่แปรเปลี่ยน ซึ่งจำนวนระดับความอิสระเป็นศูนย์, ตัวแปรเดียว - มีระดับอิสระหนึ่งระดับ, สองตัวแปร - มีสอง ฯลฯ

ในปี พ.ศ. 2419 กิ๊บส์ได้กำหนดกฎเฟสซึ่งครอบคลุมทุกกรณีของความสมดุลของระบบ ทั้งที่เป็นเนื้อเดียวกันและต่างกัน กฎนี้ระบุว่า: จำนวนองศาอิสระ c ของระบบเทอร์โมไดนามิกส์สมดุล ซึ่งได้รับอิทธิพลจากความดันและอุณหภูมิจากปัจจัยภายนอกเท่านั้น จะเท่ากับจำนวนส่วนประกอบของระบบ k บวก 2 และลบด้วยจำนวนเฟส ฉ, เช่น.

ค = k + 2 - ฉ

แผนภาพเฟสเป็นการแสดงภาพบริเวณของการดำรงอยู่ของเฟสต่างๆ โดยขึ้นอยู่กับสภาวะภายนอก เช่น ความดันและอุณหภูมิ

แผนภาพเฟสของน้ำเป็นระบบที่มีองค์ประกอบเดียว H 2 O ดังนั้นจำนวนเฟสที่ใหญ่ที่สุดที่สามารถอยู่ในสมดุลพร้อมกันได้คือสามเฟส ทั้งสามขั้นตอนนี้ได้แก่ ของเหลว น้ำแข็ง และไอน้ำ จำนวนระดับความเป็นอิสระในกรณีนี้คือศูนย์เช่น ไม่สามารถเปลี่ยนแปลงความดันและอุณหภูมิได้โดยไม่มีเฟสใดหายไป น้ำแข็ง น้ำของเหลว และไอน้ำธรรมดาสามารถดำรงอยู่ในสมดุลพร้อมกันได้ที่ความดัน 0.61 kPa และอุณหภูมิ 0.0075 ° C เท่านั้น จุดที่สามเฟสอยู่ร่วมกันเรียกว่าจุดสาม ( โอ).

เส้นโค้ง ระบบปฏิบัติการแยกบริเวณไอและของเหลว และแสดงถึงการพึ่งพาแรงดันไอน้ำอิ่มตัวกับอุณหภูมิ เส้นโค้ง OC แสดงค่าความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิและความดัน โดยที่น้ำและไอน้ำของเหลวอยู่ในภาวะสมดุลซึ่งกันและกัน ดังนั้นจึงเรียกว่าเส้นโค้งสมดุลไอของเหลวหรือเส้นโค้งเดือด

เส้นโค้ง อ.บแยกบริเวณของเหลวออกจากบริเวณน้ำแข็ง เป็นเส้นโค้งสมดุลระหว่างของแข็งและของเหลว และเรียกว่าเส้นโค้งการหลอมเหลว เส้นโค้งนี้แสดงคู่อุณหภูมิและความดันที่สัมพันธ์กันซึ่งน้ำน้ำแข็งและของเหลวอยู่ในสมดุล

เส้นโค้ง โอเอเรียกว่าเส้นโค้งการระเหิดและแสดงคู่ของค่าความดันและอุณหภูมิที่สัมพันธ์กันซึ่งน้ำแข็งและไอน้ำอยู่ในสมดุล