النقطة الثلاثية: خصائص الماء ، السيكلوهكسان والبنزين
النقطة الثلاثية هي مصطلح في مجال الديناميكا الحرارية يشير إلى درجة الحرارة والضغط التي توجد في وقت واحد ثلاث مراحل من مادة في حالة توازن ديناميكي حراري. توجد هذه النقطة بالنسبة لجميع المواد ، على الرغم من أن الظروف التي يتم الحصول عليها تختلف اختلافًا كبيرًا بين كل مادة.
يمكن أن تشتمل النقطة الثلاثية أيضًا على أكثر من مرحلة من نفس النوع لمادة معينة ؛ أي أنه يتم ملاحظة مرحلتين مختلفتين من المواد الصلبة أو السائلة أو الغازية. يعد الهيليوم ، خاصة نظيره الهيليوم -4 ، مثالًا جيدًا على نقطة ثلاثية تشتمل على مرحلتين فرديتين من السائل: السائل العادي والسوائل الفائقة.
خصائص النقطة الثلاثية
يتم استخدام النقطة الثلاثية من الماء لتحديد كلفن ، الوحدة الأساسية لدرجة الحرارة الديناميكية الحرارية في النظام الدولي للوحدات (SI). يتم إصلاح هذه القيمة بحكم التعريف بدلاً من القياس.
يمكن ملاحظة النقاط الثلاثية لكل مادة باستخدام مخططات الطور ، وهي رسوم بيانية مرسومة تسمح بإظهار الظروف المقيدة للمراحل الصلبة والسائلة والغازية (وغيرها ، في حالات خاصة) للمادة أثناء أنها تمارس تغييرات في درجة الحرارة والضغط و / أو الذوبان.
يمكن العثور على مادة عند نقطة الانصهار التي تلتقي فيها المادة الصلبة بالسائل ؛ يمكن العثور عليها أيضًا عند نقطة الغليان حيث يلتقي السائل بالغاز. ومع ذلك ، فإنه عند النقطة الثلاثية يتم تحقيق المراحل الثلاث. ستكون هذه المخططات مختلفة لكل مادة ، كما سنرى لاحقًا.
يمكن استخدام النقطة الثلاثية بفعالية في معايرة موازين الحرارة ، مع الاستفادة من خلايا النقطة الثلاثية.
هذه هي عينات من المواد في ظل ظروف معزولة (داخل "خلايا" زجاجية) تكون عند نقطتها الثلاثية مع ظروف حرارة وضغط معروفة ، وبالتالي تسهل دراسة دقة قياسات الترمومتر.
وقد استخدمت دراسة هذا المفهوم أيضًا في استكشاف كوكب المريخ ، والذي حاول فيه معرفة مستوى سطح البحر خلال المهمات التي تم تنفيذها في عقد السبعينيات.
نقطة ثلاثية من الماء
تحدث الظروف الدقيقة للضغط ودرجة الحرارة التي يتعايش فيها الماء في مراحله الثلاثة في التوازن - الماء السائل والجليد والبخار - عند درجة حرارة تبلغ 273.16 كلفن بالضبط (0.01 درجة مئوية) وضغط بخار جزئي 611656 بسكال (0.00603659 صراف آلي).
في هذه المرحلة ، يمكن تحويل المادة إلى أي من المراحل الثلاث مع الحد الأدنى من التغييرات في درجة الحرارة أو الضغط. على الرغم من أن إجمالي ضغط النظام يمكن أن يكون أعلى من المطلوب للنقطة الثلاثية ، إذا كان الضغط الجزئي للبخار عند 611،656 باسكال ، فإن النظام سيصل إلى النقطة الثلاثية بالتساوي.
من الممكن أن نلاحظ في الشكل السابق تمثيل النقطة الثلاثية (أو النقطة الثلاثية ، باللغة الإنجليزية) لمادة يشبه مخططها مخطط الماء ، وفقًا لدرجة الحرارة والضغط المطلوبين للوصول إلى هذه القيمة.
في حالة الماء ، تقابل هذه النقطة الحد الأدنى من الضغط الذي يمكن أن توجد فيه المياه السائلة. في ضغوط أقل من هذه النقطة الثلاثية (على سبيل المثال ، في فراغ) وعند استخدام تسخين ثابت بالضغط ، سيتحول الثلج الصلب مباشرة إلى بخار الماء دون المرور عبر السائل ؛ هذه هي عملية تسمى التسامي.
بعد هذا الحد الأدنى من الضغط (P tp ) ، سوف يذوب الجليد أولاً لتكوين الماء السائل ، وعندها فقط سوف يتبخر أو يغلي لتكوين بخار.
بالنسبة للعديد من المواد ، تكون قيمة درجة الحرارة عند النقطة الثلاثية هي أدنى درجة حرارة يمكن أن توجد بها المرحلة السائلة ، لكن هذا لا يحدث في حالة الماء. بالنسبة إلى الماء ، لا يحدث هذا ، نظرًا لأن درجة انصهار الجليد تنخفض اعتمادًا على الضغط ، كما هو موضح في الخط المنقط الأخضر في الشكل السابق.
في المراحل المرتفعة من الضغط ، يحتوي الماء على مخطط طور معقد للغاية ، حيث يتم عرض 15 مرحلة جليدية معروفة (في درجات حرارة وضغوط مختلفة) ، بالإضافة إلى عشر نقاط ثلاثية مختلفة يتم تصورها في الشكل التالي:
تجدر الإشارة إلى أنه في ظل ظروف الضغط العالي ، يمكن أن يوجد الجليد في حالة توازن مع السائل ؛ يوضح الرسم البياني أن نقاط الانصهار تزداد مع الضغط. في درجات حرارة منخفضة ثابتة وزيادة الضغط ، يمكن تحويل البخار مباشرة إلى جليد ، دون المرور عبر الطور السائل.
يتم تمثيل الظروف المختلفة التي تحدث في الكواكب حيث تمت دراسة النقطة الثلاثية (الأرض عند مستوى سطح البحر وفي المنطقة الاستوائية للمريخ) في هذا المخطط.
يوضح الرسم البياني أن النقطة الثلاثية تختلف باختلاف الموقع لأسباب الضغط الجوي ودرجة الحرارة ، وليس فقط من خلال تدخل المجرب.
نقطة ثلاثية من الهكسان الحلقي
السيكلوهكسان هو سيكلو ألكان له الصيغة الجزيئية لـ C 6 H 12 . تتميز هذه المادة بخصوصية وجود شروط ثلاثية النقاط يمكن استنساخها بسهولة ، كما هو الحال في الماء ، حيث تقع هذه النقطة عند درجة حرارة 279.47 كلفن وضغط يبلغ 5،388 كيلو باسكال.
في ظل هذه الظروف ، لوحظ أن المركب يغلي ، يصلب ويذوب مع الحد الأدنى من التغييرات في درجة الحرارة والضغط.
البنزين ثلاث نقاط
في حالة تشبه الهكسان الحلقي ، استنسخ البنزين (المركب العضوي بالصيغة الكيميائية C 6 H 6 ) ظروف ثلاثية النقاط بسهولة في المختبر.
تبلغ قيمته 278.5 كيلوبايت و 4.83 كيلو باسكال ، لذلك من الشائع أيضًا تجربة هذا المكون على مستوى المبتدئين.
