2,34
17,5
70
31,2
234
30
4,24
31,8
80
47.4
355
40
7,37
55,3
100
101,3
760
Молекулярна фізика води в трьох її агрегатних станах
В
Рис.5.2 Діаграма агрегатних станів води в області потрійної точки А. I - лід. II - вода. III - водяний пар. br/>
Вода зустрічається в природних умовах в трьох станах: твердому - у вигляді льоду і снігу, рідкому - у вигляді власне води, газоподібному - у вигляді водяної пари. Ці стани води називають агрегатними станами, або ж відповідно твердої, рідкої і пароподібній фазами. Перехід води з однієї фази в іншу обумовлений зміною її температури і тиску. На рис. наведена діаграма агрегатних станів води в залежності від температури t і тиску P. З рис.5.2 видно, що в області I вода знаходиться тільки в твердому вигляді, в області II - тільки в рідкому, в області III - тільки у вигляді водяного пара. Уздовж кривої AC вона знаходиться в стані рівноваги між твердою і рідкої фазами (плавлення льоду і кристалізація води); уздовж кривої AB - у стані рівноваги між рідкої і газоподібної фазами (випаровування води і конденсація пари); вздовж кривої AD - в рівновазі між твердою і газоподібної фазами (сублімація водяної пари і сублімація льоду).
Рівновага фаз по рис.5.2 вздовж кривих AB, АС і AD треба розуміти як динамічну рівновагу, тобто уздовж цих кривих число знову утворюються молекул однієї фази строго дорівнює числу знову утворюються молекул іншої фази.
Якщо, наприклад, поступово охолоджувати воду при будь-якому тиску, то в межі опинимося на кривій AC, де буде спостерігатися вода при відповідних температурі і тиску. Якщо поступово нагрівати лід при різноманітному тиску, те опинимося на тієї ж кривої рівноваги АС, але з боку льоду. Аналогічно матимемо воду і водяна пара, залежно від того, з якого боку будемо підходити до кривої AB.
Всі три криві агрегатного стану - АС (крива залежності температури плавлення льоду від тиску), АВ (крива залежності температури кипіння води від тиску), AD (крива залежності тиску пари твердої фази від температури) - перетинаються в одній точці A, що носить назву потрійної точки. За сучасними дослідженнями, значення тиску насичують парів і температури в цій точці відповідно рівні P = 610,6 Па (або 6,1 гПа = 4,58 мм рт. ст.), t = 0,01 В° C (або T = 273,16 К). Крім потрійної точки, крива АВ проходить ще через дві характерні точки - точку, відповідну кипінню води при нормальному тиску повітря з координатами P = 1,013 В· 10 5 Па і t = 100 В° C, і точку з координатами P = 2,211 В· 10 7 Па і t < sub> кр = 374,2 В° C, відповідними критичної температурі - температурі, тільки нижче якої водяна пара можна перевести в рідкий стан шляхом стиснення.
Криві АС, АВ, AD відносяться до процесів переходу речовини з однієї фази в іншу, описуються рівнянням Клапейрона-Клаузіуса:
(1.1)
де T - абсолютна температура, що відповідає для кожної кривої відповідно температурі випаровування, плавлення, сублімації і т. д.; L - питома теплота відповідно випаровування, плавлення, сублімації; V 2 - V 1 - різниця питомих обсягів відповідно при переході від води до льоду, від водяної пари до води, від водяної пари до льоду. Детальний рішення цього рівняння щодо тиску насиченої водяної пари e 0 над поверхнею води - крива AB і льоду - крива AD, можна знайти в курсі загальної метеорології.
Безпосередній досвід показує, що природні води суші при нормальному атмосферному тиску переохолоджуватися (крива AF) до деяких від'ємних значень температура не крісталлізуясь. Таким чином, вода має властивість переохолоджуватися, тобто приймати температуру нижче точки плавлення льоду. Переохолоджене стан води є станом метастабільним (нестійким), в якому почався в небудь точці перехід рідкої фази в тверду триває безперервно, поки не буде ліквідовано переохолодження або поки не перетвориться на тверде тіло вся рідина. Здатність води приймати температуру нижче точки плавлення льоду була виявлена ​​вперше Фаренгейтом ще в 1724 р.
Таким чином, льодові кристали можуть виникати тільки в переохолодженій воді. Перехід переохолодженій води у твердий стан - лід, відбувається тільки при наявності в ній центрів (ядер) кристалізації, у якості яких можуть виступати зважені частки наносів, що знаходяться у воді, кристалики льоду або снігу, надходять у воду з атмосфери, кристал...
