🌡️ Фазова діаграма

Фазова діаграма відображає стани речовини залежно від тиску P та температури T. Криві на діаграмі — це лінії рівноваги двох фаз (коексистенційні криві). Усі три криві сходяться в потрійній точці — єдиному значенні (P,T), при якому тверда, рідка й газова фази існують одночасно. Вище критичної точки межа між рідиною і газом зникає — утворюється надкритичний флюїд. Вода має аномально від'ємний нахил кривої плавлення, оскільки лід щільніший за воду. 🇬🇧 English

Речовина

Відображення

—
РечовинаВода
T потрійної точки273.16 K
P потрійної точки611.7 Па
T критичної точки647.1 K
P критичної точки22.1 МПа

Основні межі фаз

Крива плавлення (тверде–рідке) — описується рівнянням Клаузіуса-Клапейрона dP/dT = ΔS/ΔV. Для води ΔV<0 (лід стискається при таненні), тому нахил від'ємний — рідкісне явище серед речовин. Крива сублімації (тверде–газ) — підпорядковується рівнянню Антуана log P ≈ A − B/T. Нижче потрійної точки тверде тіло сублімує безпосередньо в пар. Крива випаровування (рідке–газ) — закінчується в критичній точці (Tc, Pc). Вище Tc рідина і газ невідрізняються — надкритичний CO₂ широко застосовується у «зеленій хімії» як розчинник.

Про цю симуляцію

Ця симуляція будує живу фазову діаграму тиск-температура (P-T) для води, CO₂, азоту або етанолу, обчислюючи криві рівноваги плавлення, сублімації та випаровування безпосередньо з реальних термодинамічних даних кожної речовини. Крива плавлення використовує лінійний нахил Клаузіуса-Клапейрона через потрійну точку, криві сублімації та випаровування використовують рівняння типу Антуана log₁₀P = A − B/T, а кожен піксель зафарбовується залежно від того, яка фаза (тверда, рідка, газоподібна або надкритичний флюїд) стабільна при цих (T, P). Рухомий перехрестя дозволяє зчитати точну фазу в будь-якій точці діаграми.

🔬 Що демонструє

Три криві фазової рівноваги — плавлення (тверде/рідке), сублімація (тверде/газ) і випаровування (рідке/газ) — для обраної речовини, які всі зустрічаються в потрійній точці. Вище критичної точки (Tc, Pc) межа рідина/газ зникає, і ця область зафарбовується як надкритичний флюїд. Координати потрійної та критичної точок кожної речовини відображаються в панелі статистики.

🎮 Як користуватися

Оберіть речовину (H₂O, CO₂, N₂ або EtOH), щоб завантажити її реальні значення Ttr, Ptr, Tc і Pc та перемалювати криві. Перемикайте вісь тиску між Лінійною та Log P, щоб краще розгледіти величезний діапазон тиску поблизу потрійної точки. Перетягуйте повзунки P cursor і T cursor, або наведіть мишу на канву, щоб розмістити перехрестя і прочитати точну фазу та координати в інформаційному блоці нижче.

💡 Чи знали ви?

Крива плавлення води має від'ємний нахил (dP/dT < 0), тому що лід менш густий за рідку воду — стискання льоду за сталої температури фактично може його розтопити. Майже кожна інша речовина, включно з CO₂ та азотом, має додатний нахил плавлення, бо їхня тверда фаза густіша за рідку, тому модель використовує інший знак meltSlope для води, ніж для решти.

Поширені запитання

Що таке потрійна точка?

Потрійна точка — це унікальне поєднання температури й тиску, за якого тверда, рідка й газоподібна фази речовини одночасно перебувають у рівновазі. Для води це відбувається точно за 273,16 K і 611,7 Па — значення настільки точно відтворюване, що його історично використовували для визначення самого кельвіна. На діаграмі це єдина точка, де зустрічаються криві плавлення, сублімації та випаровування.

Що відбувається в критичній точці?

Критична точка (Tc, Pc) позначає кінець кривої рівноваги рідина-пара. За межами цієї температури й тиску вже не існує чіткої межі між рідиною й газом — обидві фази перетворюються на єдиний надкритичний флюїд із властивостями, проміжними між обома. Для води це відбувається за 647,1 K і 22,06 МПа; для CO₂ це відбувається за значно доступніших 304,2 K і 7,38 МПа, тому надкритичний CO₂ широко використовують у промисловості, наприклад для декофеїнізації.

Чому крива плавлення води має від'ємний нахил?

Рівняння Клаузіуса-Клапейрона стверджує, що dP/dT = ΔS/ΔV уздовж кривої рівноваги. Для плавлення ΔS завжди додатне (рідина більш невпорядкована за тверде тіло), тому знак нахилу залежить від ΔV — зміни об'єму при плавленні. Вода — одна з небагатьох речовин, де лід займає більший об'єм, ніж рідина, в яку він перетворюється, роблячи ΔV від'ємним, а отже й dP/dT від'ємним — тому підвищення тиску знижує температуру плавлення води замість того, щоб підвищувати її.

Що таке сублімація і коли вона відбувається?

Сублімація — це прямий перехід із твердого стану в газоподібний без проходження через рідку фазу. Вона відбувається, коли тиск нижчий за тиск потрійної точки, тому крива сублімації — змодельована тут рівнянням типу Антуана log₁₀P = A − B/T — описує тиск пари твердої фази за температур нижче Ttr. Сухий лід (твердий CO₂) сублімує за звичайного атмосферного тиску, бо потрійна точка CO₂ (516,6 кПа) значно вища за 1 атмосферу, тож рідкий CO₂ не може існувати за нормального тиску.

Чому фазові діаграми часто використовують логарифмічну вісь тиску?

Тиск пари й сублімації підпорядковуються співвідношенню Клаузіуса-Клапейрона, яке передбачає експоненційну залежність від температури (P ∝ e^(−B/T)), тому на лінійній осі тиску крива поблизу потрійної точки стискається в майже непомітну смужку, тоді як крива поблизу критичної точки домінує на графіку. Перемикання на логарифмічну вісь P, що дозволяє ця симуляція, розтягує область низького тиску, тож стають чітко видимі сублімація та низькотемпературна частина кривої випаровування поряд із високотисковою критичною областю.