Điểm ba là một thuật ngữ trong lĩnh vực nhiệt động lực học dùng để chỉ nhiệt độ và áp suất trong đó ba pha của một chất tồn tại đồng thời ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học. Điểm này tồn tại đối với tất cả các chất, mặc dù các điều kiện đạt được chúng khác nhau rất nhiều giữa mỗi chất.
Điểm ba cũng có thể liên quan đến nhiều pha cùng loại đối với một chất cụ thể; tức là quan sát được hai pha rắn, lỏng hoặc khí khác nhau. Heli, đặc biệt là đồng vị của nó là heli-4, là một ví dụ điển hình về điểm ba liên quan đến hai pha chất lỏng riêng lẻ: chất lỏng bình thường và chất lỏng siêu lỏng.
Đặc điểm ba điểm
Điểm ba của nước được sử dụng để xác định kelvin, đơn vị cơ bản của nhiệt độ nhiệt động lực học trong hệ đơn vị quốc tế (SI). Giá trị này được đặt theo định nghĩa chứ không phải đo lường.
Ba điểm của mỗi chất có thể được quan sát bằng cách sử dụng giản đồ pha, là biểu đồ được vẽ cho phép chứng minh các điều kiện giới hạn của các pha rắn, lỏng, khí (và các pha khác, trong trường hợp đặc biệt) của một chất khi nó chúng tạo 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, tại đó chất rắn gặp chất lỏng; nó cũng có thể được tìm thấy ở điểm sôi của nó, nơi chất lỏng gặp chất khí. Tuy nhiên, đó là ở điểm ba mà ba giai đoạn đạt được. Các sơ đồ này sẽ khác nhau đối với từng chất, như sẽ thấy ở phần sau.
Điểm ba có thể được sử dụng hiệu quả trong hiệu chuẩn nhiệt kế, sử dụng các tế bào điểm ba.
Đây là các mẫu của các chất trong điều kiện cô lập (bên trong "tế bào" thủy tinh) ở điểm ba của chúng trong 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 các phép đo nhiệt kế.
Nghiên cứu về khái niệm này cũng đã được sử dụng trong việc khám phá hành tinh Sao Hỏa, trong đó một nỗ lực đã được thực hiện để biết mực nước biển trong các sứ mệnh được thực hiện vào những năm 1970.
Ba điểm của nước
Các điều kiện chính xác về áp suất và nhiệt độ mà tại đó nước cùng tồn tại trong ba pha của nó ở trạng thái cân bằng - nước lỏng, nước đá và hơi nước - xảy ra ở nhiệt độ chính xác 273,16 K (0,01 ºC) và áp suất riêng phần của hơi là 611,656 pascal (0,00603659 atm).
Tại thời điểm này, việc chuyển hóa chất thành bất kỳ trong ba pha có thể thực hiện được với những thay đổi tối thiểu về nhiệt độ hoặc áp suất của nó. Mặc dù tổng áp suất của hệ thống có thể cao hơn áp suất cần thiết cho điểm ba, nếu áp suất riêng phần của hơi là 611,656 Pa, hệ thống sẽ đạt đến điểm ba theo cách tương tự.
Có thể quan sát trong hình trước biểu diễn điểm ba (hay điểm ba, trong tiếng Anh) của một chất có biểu đồ tương tự như của nước, theo nhiệt độ và áp suất cần thiết để đạt được 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 dưới điểm ba này (ví dụ, trong chân không) và khi sử dụng gia nhiệt áp suất không đổi, nước đá rắn sẽ chuyển trực tiếp thành hơi nước mà không đi qua chất lỏng; Đây là một quá trình được gọi là thăng hoa.
Vượt quá áp suất tối thiểu này (P tp ), đầu tiên nước đá sẽ tan chảy để tạo thành nước lỏng, và chỉ ở đó nó mới 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 nước đá giảm theo hàm của áp suất, như được thể hiện bằng đường chấm màu xanh lục trong hình trước.
Trong các pha áp suất cao, nước có biểu đồ pha khá phức tạp, trong đó có 15 pha băng đã biết (ở các nhiệt độ và áp suất khác nhau), ngoài ra còn có 10 điểm ba khác nhau được hình dung trong hình sau:
Có thể lưu ý rằng, trong điều kiện áp suất cao, nước đá có thể tồn tại ở trạng thái cân bằng với chất lỏng; biểu đồ cho thấy điểm nóng chảy tăng theo áp suất. Ở nhiệt độ thấp không đổi và áp suất tăng dần, hơi có thể biến đổi trực tiếp thành nước đá mà không cần đi qua pha lỏng.
Trong biểu đồ này cũng thể hiện các điều kiện khác nhau xảy ra trên các hành tinh mà điểm ba đã được nghiên cứu (Trái đất ở mực nước biển và ở vùng xích đạo của sao Hỏa).
Biểu đồ làm rõ rằng điểm ba thay đổi tùy thuộc vào vị trí vì lý do áp suất và nhiệt độ khí quyển, chứ không chỉ do sự can thiệp của người thí nghiệm.
Điểm ba Cyclohexane
Cyclohexan là một xycloalkan có công thức phân tử là C 6 H 12 . Chất này có đặc điểm là có các điều kiện điểm ba có thể dễ dàng tái tạo, như trong trường hợp nước, vì điểm này nằm ở nhiệt độ 279,47 K và áp suất 5,388 kPa.
Trong các điều kiện này, hợp chất đã được quan sát thấy sôi, đông đặc và nóng chảy với những thay đổi tối thiểu về nhiệt độ và áp suất.
Điểm ba benzen
Trong một trường hợp tương tự như xiclohexan, benzen (hợp chất hữu cơ có công thức hóa học C 6 H 6 ) có các điều kiện điểm ba có thể dễ dàng tái lập trong phòng thí nghiệm.
Giá trị của nó là 278,5 K và 4,83 kPa, vì vậy việc thử nghiệm với thành phần này ở cấp độ mới bắt đầu cũng rất phổ biến.
Người giới thiệu
- Wikipedia. (sf). Wikipedia. Lấy từ en.wikipedia.org
- Britannica, E. (1998). Bách khoa toàn thư Britannica. Lấy từ britannica.com
- Công suất, N. (sf). Điện hạt nhân. Lấy từ hạt nhân-power.net
- Wagner, W., Saul, A., & Prub, A. (1992). Công thức quốc tế cho áp suất dọc theo sự nóng chảy và dọc theo đường cong thăng hoa của nước thông thường. Bochum.
- Penoncello, SG, Jacobsen, RT, & Goodwin, AR (1995). Công thức đặc tính nhiệt động học cho Cyclohexane.