نقطة ثلاثية

📅 آخر تحديث: ٢٤ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٤ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 4 صور
الموسوعة الحرة
مخطط طور نموذجي . ينطبق الخط الأخضر المتصل على معظم المواد؛ بينما يوضح الخط الأخضر المتقطع السلوك الشاذ للماء.

في الديناميكا الحرارية ، تُعرف النقطة الثلاثية للمادة بأنها درجة الحرارة والضغط اللذان تتعايش عندهما أطوار المادة الثلاثة ( الغازية والسائلة والصلبة ) في حالة اتزان ديناميكي حراري . [ 1 ] وهي درجة الحرارة والضغط اللذان تلتقي عندهما منحنيات التسامي والانصهار والتبخر . على سبيل المثال، تحدث النقطة الثلاثية للزئبق عند درجة حرارة -38.8 درجة مئوية (-37.8 درجة فهرنهايت) وضغط 0.165 ملي باسكال .  

إضافةً إلى النقطة الثلاثية للأطوار الصلبة والسائلة والغازية، قد تشمل النقطة الثلاثية أكثر من طور صلب واحد، وذلك بالنسبة للمواد ذات الأشكال المتعددة . يُعدّ الهيليوم-4 حالةً استثنائيةً لعدم وجود منحنى تسامي/ترسيب له، وبالتالي عدم وجود نقاط ثلاثية عند التقاء طوره الصلب بطوره الغازي. بدلاً من ذلك، يمتلك الهيليوم-4 نقطة بخار-سائل-مائع فائق ، ونقطة صلب-سائل-مائع فائق، ونقطة صلب-صلب-سائل، ونقطة صلب-صلب-مائع فائق. يجب عدم الخلط بين أيٍّ من هذه النقاط ونقطة لامدا ، التي لا تُعدّ نقطة ثلاثية بأيّ حال من الأحوال.

أول ذكر لمصطلح "النقطة الثلاثية" كان في 3 أغسطس 1871 من قبل جيمس طومسون ، شقيق اللورد كلفن . [ 2 ] تُستخدم النقاط الثلاثية لعدة مواد لتحديد النقاط في مقياس درجة الحرارة الدولي ITS-90 ، بدءًا من النقطة الثلاثية للهيدروجين (13.8033  كلفن) إلى النقطة الثلاثية للماء (273.16  كلفن، 0.01  درجة مئوية، أو 32.018  درجة فهرنهايت).

قبل عام 2019، كانت النقطة الثلاثية للماء تُستخدم لتعريف الكلفن ، وهي الوحدة الأساسية لدرجة الحرارة الديناميكية الحرارية في النظام الدولي للوحدات (SI). [ 3 ] كان تعريف الكلفن يتم بحيث تكون النقطة الثلاثية للماء 273.16  كلفن بالضبط، ولكن هذا تغير مع مراجعة النظام الدولي للوحدات في عام 2019 ، حيث أُعيد تعريف الكلفن بحيث يكون ثابت بولتزمان مساويًا لـ 273.16 كلفن بالضبط.1.380 649 × 10 −23  J⋅K −1 ، وأصبحت النقطة الثلاثية للماء ثابتًا تم قياسه تجريبيًا.

نقطة الماء الثلاثية

النقطة الثلاثية للغاز والسائل والصلب

غلي الماء عند درجة حرارة 0 مئوية باستخدام مضخة تفريغ.

بعد مراجعة النظام الدولي للوحدات عام 2019، لم تعد قيمة النقطة الثلاثية للماء تُستخدم كنقطة تعريفية. ومع ذلك، تظل قيمتها التجريبية مهمة: فالمزيج الفريد من الضغط ودرجة الحرارة الذي يتعايش عنده الماء السائل والجليد الصلب وبخار الماء في حالة توازن مستقر هو تقريبًا273.16 ± 0.0001  كلفن [ 4 ] وضغط بخار يبلغ 611.657 باسكال (6.11657 ملي بار؛ 0.00603659 ضغط جوي) . [ 5 ] [ 6 ]  

لا يمكن للماء السائل أن يوجد إلا عند ضغوط تساوي أو تزيد عن النقطة الثلاثية. أما عند ضغوط أقل من ذلك، في فراغ الفضاء الخارجي ، يتسامى الجليد الصلب ، متحولاً مباشرةً إلى بخار ماء عند تسخينه تحت ضغط ثابت. وعلى العكس، عند ضغوط أعلى من النقطة الثلاثية، ينصهر الجليد الصلب عند تسخينه أولاً إلى ماء سائل عند درجة حرارة ثابتة، ثم يتبخر أو يغلي ليتحول إلى بخار عند درجة حرارة أعلى.

بالنسبة لمعظم المواد، تمثل النقطة الثلاثية (غاز-سائل-صلب) أدنى درجة حرارة يمكن أن يوجد عندها السائل. أما بالنسبة للماء، فالأمر مختلف. تنخفض درجة انصهار الجليد العادي مع ازدياد الضغط، كما هو موضح بالخط الأخضر المتقطع في مخطط الأطوار . أسفل النقطة الثلاثية مباشرةً، يؤدي الضغط عند درجة حرارة ثابتة إلى تحويل بخار الماء أولاً إلى صلب ثم إلى سائل.

تاريخياً، خلال مهمة مارينر 9 إلى المريخ ، تم استخدام ضغط النقطة الثلاثية للماء لتحديد "مستوى سطح البحر". أما الآن، فيُفضل استخدام قياس الارتفاع بالليزر والقياسات الجاذبية لتحديد ارتفاع سطح المريخ. [ 7 ]

مراحل الضغط العالي

عند الضغوط العالية، يمتلك الماء مخططًا طوريًا معقدًا يتضمن 15 طورًا معروفًا للجليد وعدة نقاط ثلاثية، منها 10 نقاط موضحة إحداثياتها في المخطط. على سبيل المثال، تتوافق النقطة الثلاثية عند 251  كلفن (-22  درجة مئوية) و210  ميجا باسكال (2070  ضغط جوي) مع شروط تعايش الجليد Ih (الجليد العادي)، والجليد III ، والماء السائل، وجميعها في حالة اتزان. كما توجد نقاط ثلاثية لتعايش ثلاثة أطوار صلبة، مثل الجليد II ، والجليد V، والجليد VI عند 218  كلفن (-55  درجة مئوية) و620  ميجا باسكال (6120  ضغط جوي).

بالنسبة لأشكال الجليد عالية الضغط التي يمكن أن توجد في حالة توازن مع السائل، يُظهر الرسم البياني أن درجات الانصهار تزداد مع الضغط. عند درجات حرارة أعلى من 273  كلفن (0  درجة مئوية)، تؤدي زيادة الضغط على بخار الماء أولاً إلى تكوّن الماء السائل ثم إلى شكل من أشكال الجليد عالي الضغط. في هذا النطاق251-273  كلفن ،  يتشكل الجليد الأول أولاً، يليه الماء السائل ثم الجليد  الثالث أو الجليد  الخامس، يليه أشكال أخرى ذات كثافة أعلى وضغط عالٍ.

مخطط طور الماء، بما في ذلك أشكال الضغط العالي مثل الجليد  II والجليد  III، إلخ. محور الضغط لوغاريتمي. للاطلاع على وصف تفصيلي لهذه الأطوار، انظر الجليد .
النقاط الثلاثية المختلفة للماء
أطوار في حالة توازن مستقرضغطدرجة حرارة
الماء السائل، والجليد ، وبخار الماء611.657 باسكال [ 8 ]273.16 كلفن (0.0001  درجة مئوية) [ 4 ]
الماء السائل، والجليد I h ، والجليد III209.9 ميجا باسكال251 كلفن (-22  درجة مئوية)
الماء السائل، والجليد III، والجليد V350.1 ميجا باسكال-17.0  درجة مئوية
الماء السائل، والجليد V، والجليد VI632.4 ميجا باسكال0.16  درجة مئوية
الجليد الأول ، والجليد الثاني ، والجليد الثالث213 ميجا باسكال-35  درجة مئوية
الجليد الثاني، والجليد الثالث، والجليد الخامس344 ميجا باسكال-24  درجة مئوية
الجليد الثاني، والجليد الخامس، والجليد السادس626 ميجا باسكال-70  درجة مئوية

خلايا النقاط الثلاثية

تُستخدم خلايا النقاط الثلاثية في معايرة موازين الحرارة . وللحصول على قياسات دقيقة، تُملأ هذه الخلايا عادةً بمادة كيميائية عالية النقاء، مثل الهيدروجين أو الأرجون أو الزئبق أو الماء (بحسب درجة الحرارة المطلوبة). تصل نقاوة هذه المواد إلى درجة لا تتجاوز فيها نسبة الشوائب جزءًا واحدًا في المليون، وتُعرف هذه المادة باسم "ستة تسعات" لأنها نقية بنسبة 99.9999%. ويُستخدم تركيب نظائري محدد (مثل VSMOW للماء ) لأن الاختلافات في التركيب النظائري تُحدث تغييرات طفيفة في النقطة الثلاثية. تتميز خلايا النقاط الثلاثية بفعاليتها العالية في تحقيق درجات حرارة دقيقة وقابلة للتكرار، لدرجة أن معيار المعايرة الدولي لموازين الحرارة، ITS -90، يعتمد على خلايا النقاط الثلاثية المصنوعة من الهيدروجين والنيون والأكسجين والأرجون والزئبق والماء لتحديد ست من نقاط درجة الحرارة المحددة.

جدول النقاط الثلاثية

يُبيّن هذا الجدول النقاط الثلاثية للغاز والسائل والصلب لعدة مواد. ما لم يُذكر خلاف ذلك، فإن البيانات مأخوذة من المكتب الوطني الأمريكي للمعايير (الآن المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا، NIST ). [ 9 ]

مادةT [ K ] ( °C )p [ kPa ] * ( atm )
الأسيتيلين192.4 كلفن (−80.7 درجة مئوية)  120 كيلو باسكال (1.2 ضغط جوي)  
الأمونيا195.40 كلفن (−77.75 درجة مئوية)  6.060 كيلو باسكال (0.05981 ضغط جوي)  
الأرجون83.8058 كلفن (−189.3442 درجة مئوية)  68.9 كيلو باسكال (0.680 ضغط جوي)  
الزرنيخ1090 كلفن (820 درجة مئوية)  3628 كيلو باسكال (35.81 ضغط جوي)  
البيوتان [ 10 ]134.6 كلفن (−138.6 درجة مئوية)  7 × 10 −4 كيلو باسكال (6.9 × 10 −6 ضغط جوي)  
الكربون ( الجرافيت )4765 كلفن (4492 درجة مئوية)  10,132 كيلو باسكال (100.00 ضغط جوي)  
ثاني أكسيد الكربون216.55 كلفن (−56.60 درجة مئوية)  517 كيلو باسكال (5.10 ضغط جوي)  
أول أكسيد الكربون68.10 كلفن (−205.05 درجة مئوية)  15.37 كيلو باسكال (0.1517 ضغط جوي)  
الكلوروفورم [ 11 ] [ 12 ]209.61 كلفن (−63.54 درجة مئوية)  ؟
الديوتيريوم18.63 كلفن (−254.52 درجة مئوية)  17.1 كيلو باسكال (0.169 ضغط جوي)  
الإيثان89.89 كلفن (−183.26 درجة مئوية)  1.1 × 10 −3 كيلو باسكال (1.1 × 10 −5 ضغط جوي)  
الإيثانول [ 13 ]150 كلفن (-123 درجة مئوية)  4.3 × 10 −7 كيلو باسكال (4.2 × 10 −9 ضغط جوي)  
الإيثيلين104.0 كلفن (−169.2 درجة مئوية)  0.12 كيلو باسكال (0.0012 ضغط جوي)  
حمض الفورميك [ 14 ]281.40 كلفن (8.25 درجة مئوية)  2.2 كيلو باسكال (0.022 ضغط جوي)  
الهيليوم-4 (بخار-He-I-He-II) [ 15 ]2.1768 كلفن (−270.9732 درجة مئوية)  5.048 كيلو باسكال (0.04982 ضغط جوي)  
الهيليوم-4 ( hcp − bcc −He-II) [ 16 ]1.463 كلفن (−271.687 درجة مئوية)  26.036 كيلو باسكال (0.25696 ضغط جوي)  
الهيليوم-4 (bcc−He-I−He-II) [ 16 ]1.762 كلفن (−271.388 درجة مئوية)  29.725 كيلو باسكال (0.29336 ضغط جوي)  
الهيليوم-4 (hcp−bcc−He-I) [ 16 ]1.772 كلفن (−271.378 درجة مئوية)  30.016 كيلو باسكال (0.29623 ضغط جوي)  
سداسي فلورو الإيثان [ 17 ]173.08 كلفن (−100.07 درجة مئوية)  26.60 كيلو باسكال (0.2625 ضغط جوي)  
هيدروجين13.8033 كلفن (−259.3467 درجة مئوية)  7.04 كيلو باسكال (0.0695 ضغط جوي)  
الهيدروجين-1 (البروتيوم) [ 18 ]13.96 كلفن (−259.19 درجة مئوية)  7.18 كيلو باسكال (0.0709 ضغط جوي)  
كلوريد الهيدروجين158.96 كلفن (−114.19 درجة مئوية)  13.9 كيلو باسكال (0.137 ضغط جوي)  
اليود [ 19 ]386.65 كلفن (113.50 درجة مئوية)  12.07 كيلو باسكال (0.1191 ضغط جوي)  
إيزوبوتان [ 20 ]113.55 كلفن (−159.60 درجة مئوية)  1.9481 × 10 −5 كيلو باسكال (1.9226 × 10 −7 ضغط جوي)  
كريبتون115.76 كلفن (−157.39 درجة مئوية)  74.12 كيلو باسكال (0.7315 ضغط جوي)  
الزئبق234.3156 كلفن (−38.8344 درجة مئوية)  1.65 × 10 −7 كيلو باسكال (1.63 × 10 −9 ضغط جوي)  
الميثان90.68 كلفن (−182.47 درجة مئوية)  11.7 كيلو باسكال (0.115 ضغط جوي)  
نيون24.5561 كلفن (−248.5939 درجة مئوية)  43.332 كيلو باسكال (0.42765 ضغط جوي)  
أكسيد النيتريك109.50 كلفن (−163.65 درجة مئوية)  21.92 كيلو باسكال (0.2163 ضغط جوي)  
نتروجين63.18 كلفن (−209.97 درجة مئوية)  12.6 كيلو باسكال (0.124 ضغط جوي)  
أكسيد النيتروز182.34 كلفن (−90.81 درجة مئوية)  87.85 كيلو باسكال (0.8670 ضغط جوي)  
الأكسجين54.3584 كلفن (−218.7916 درجة مئوية)  0.14625 كيلو باسكال (0.0014434 ضغط جوي)  
البلاديوم1825 كلفن (1552 درجة مئوية)  3.5 × 10 −3 كيلو باسكال (3.5 × 10 −5 ضغط جوي)  
بلاتينيوم2045 كلفن (1772 درجة مئوية)  2 × 10 −4 كيلو باسكال (2.0 × 10 −6 ضغط جوي)  
رادون202 كلفن (−71 درجة مئوية)  70 كيلو باسكال (0.69 ضغط جوي)  
(أحادي) السيلان [ 21 ]88.48 كلفن (−184.67 درجة مئوية)  0.019644 كيلو باسكال (0.00019387 ضغط جوي)  
ثاني أكسيد الكبريت197.69 كلفن (−75.46 درجة مئوية)  1.67 كيلو باسكال (0.0165 ضغط جوي)  
التيتانيوم1941 كلفن (1668 درجة مئوية)  5.3 × 10 −3 كيلو باسكال (5.2 × 10 −5 ضغط جوي)  
سداسي فلوريد اليورانيوم337.17 كلفن (64.02 درجة مئوية)  151.7 كيلو باسكال (1.497 ضغط جوي)  
الماء [ 5 ] [ 6 ]273.16 كلفن (0.01 درجة مئوية)  0.611657 كيلو باسكال (0.00603659 ضغط جوي)  
زينون161.3 كلفن (−111.8 درجة مئوية)  81.5 كيلو باسكال (0.804 ضغط جوي)  
الزنك692.65 كلفن (419.50 درجة مئوية)  0.065 كيلو باسكال (0.00064 ضغط جوي)  

ملحوظات:

  • للمقارنة، يبلغ الضغط الجوي النموذجي 101.325 كيلو باسكال (1 ضغط جوي).
  • قبل التعريف الجديد لوحدات النظام الدولي للوحدات، كانت النقطة الثلاثية للماء، 273.16 كلفن، رقماً دقيقاً.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (IUPAC )، موسوعة المصطلحات الكيميائية ، الطبعة الخامسة (الكتاب الذهبي) (2025). النسخة الإلكترونية: (1994) " نقطة ثلاثية ". doi : 10.1351/goldbook.T06502 .
  2. ↑ جيمس طومسون (1871) "تأملات حول استمرارية الحالة السائلة للمادة، وحول العلاقات بين الحالات الغازية والسائلة والصلبة." ، اجتماع الجمعية البريطانية في إدنبرة . مجلة نيتشر 4 ، 288-298 (1871). من القسم أ في الصفحة 291: " يُشير إلى هذه النقطة من الضغط ودرجة الحرارةبالنقطة الثلاثية؛ ويُبين كيف تنتمي هذه النقطة إلى المنحنيات الثلاثة المهمة، باعتبارها نقطة تقاطعها."
  3. ↑ تعريف الكلفن في المكتب الدولي للأوزان والمقاييس.
  4. 1 2 "كتيب النظام الدولي للوحدات: النظام الدولي للوحدات (SI) - الطبعة التاسعة" . المكتب الدولي للأوزان والمقاييس . تم الاطلاع عليه بتاريخ 21 فبراير 2022 .
  5. 1 2 المعادلات الدولية للضغط على طول منحنى الانصهار وعلى طول منحنى التسامي لمادة الماء العادية . دبليو. فاغنر، أ. سول وأ. بروس (1994)، مجلة البيانات المرجعية للكيمياء الفيزيائية، 23 ، 515.
  6. 1 2 مورفي، د.م. (2005). "مراجعة لضغوط بخار الجليد والماء فائق التبريد للتطبيقات الجوية" . المجلة الفصلية للجمعية الملكية للأرصاد الجوية . 131 (608): 1539-1565 . Bibcode : 2005QJRMS.131.1539M . doi : 10.1256/qj.04.94 . S2CID 122365938 . 
  7. ↑ كار ، مايكل هـ. (2007). سطح المريخ . مطبعة جامعة كامبريدج. ص 5. ISBN  978-0-521-87201-0.
  8. ↑ مورفي، د.م. (2005). "مراجعة لضغوط بخار الجليد والماء فائق التبريد للتطبيقات الجوية" . المجلة الفصلية للجمعية الملكية للأرصاد الجوية . 131 (608): 1539-1565 . Bibcode : 2005QJRMS.131.1539M . doi : 10.1256/qj.04.94 . S2CID 122365938 . 
  9. ↑ سينجل، يونس أ.؛ تيرنر، روبرت هـ. (2004). أساسيات علوم الموائع الحرارية . بوسطن: ماكجرو هيل. ص 78. ISBN  0-07-297675-6.
  10. ↑ انظر البيوتان (صفحة البيانات)
  11. ↑ انظر الكلوروفورم (صفحة البيانات)
  12. ↑ "ثلاثي كلورو الميثان" . كتاب NIST الإلكتروني للكيمياء، SRD 69. المعهد الوطني للعلوم والتكنولوجيا (NIST) . تم الاطلاع عليه بتاريخ 11 مايو 2024 .
  13. ↑ انظر الإيثانول (صفحة البيانات)
  14. ↑ انظر حمض الفورميك (صفحة البيانات)
  15. ↑ دونيلي، راسل جيه؛ بارينغي، كارلو إف. (1998). "الخواص المرصودة للهيليوم السائل عند ضغط البخار المشبع". مجلة البيانات المرجعية الفيزيائية والكيميائية . 27 (6): 1217-1274 . Bibcode : 1998JPCRD..27.1217D . doi : 10.1063/1.556028 .
  16. هوفر ، جيه كيه ؛ غاردنر، دبليو آر؛ ووترفيلد، سي جي؛ فيليبس، إن إي (أبريل 1976). "الخواص الديناميكية الحرارية للهيليوم -4 . الجزء الثاني: الطور المكعب المتمركز في الجسم ومخططات الطور PT وVT تحت 2 كلفن". مجلة فيزياء درجات الحرارة المنخفضة . 23 (1): 63-102 . Bibcode : 1976JLTP...23...63H . doi : 10.1007/BF00117245 . S2CID 120473493 . 
  17. ↑ انظر سداسي فلورو الإيثان (صفحة البيانات)
  18. ↑ "بروتيوم | نظير | بريتانيكا" . 27 يناير 2024.
  19. ↑ والاس، إس إم (1990). معدات العمليات الكيميائية - الاختيار والتصميم . أمستردام: إلسيفير. ص 639. ISBN  0-7506-7510-1.
  20. ↑ انظر إلى الإيزوبيوتان (صفحة البيانات)
  21. ↑ "موسوعة غاز السيلان" . موسوعة الغازات . شركة إير ليكيد.
  • شعار ويكيميديا ​​كومنزالوسائط المتعلقة بـ Triple point على ويكيميديا ​​كومنز