Тройная точка

Типичные виды фазовых диаграмм. Зелёный пунктир показывает аномальное поведение воды
Трёхмерная фазовая диаграмма
Фазовая диаграмма элементарной серы.
Sp — ромбическая сера; Sм — моноклинная сера; Sж — жидкая сера; Sп — пары серы.
Фазовая диаграмма 3Не. bcc — объёмоцентрированная кубическая (ОЦК)

Тройна́я то́чка в однокомпонентной системе — точка схождения кривых двухфазных равновесий на плоской P—T-фазовой диаграмме, соответствующая устойчивому равновесию трёх фаз[1][2]. Тройная точка нонвариантна, т. е. не допускает изменения ни одного из характеризующих её параметров состояния — ни температуры, ни давления[3][4]. Индивидуальные вещества могут иметь несколько стабильных кристаллических фаз и вследствие этого несколько тройных точек[5]. В системе, способной к образованию N фаз, число возможных тройных точек равно N!/[(N — 3)!3!][6]. Например, для серы известны четыре фазы — две твёрдые, жидкая и газообразная — и четыре тройные точки, одна из которых метастабильная[7][8][9][6].

Если для индивидуального вещества существует тройная точка, соответствующая состоянию, в котором равновесные фазы находятся в различных агрегатных состояниях (твёрдом, жидком и газообразном), то она единственна[10][11], и её называют основной тройной точкой[12][13][14] или фундаментальной точкой[15]. Основная тройная точка не существует для гелия[16].

Поскольку координаты тройной точки задаются значениями P и T и не зависят от V, то на трёхмерной фазовой диаграмме P—T—V и её проекции на плоскость P—V равновесным состояниям трёх фаз соответствует тройная линия (triple line)[17][18].

В основной тройной точке сходятся три моновариантные линии двухфазных равновесий: плавления (равновесие кристалл — жидкость), кипения (равновесие жидкость — пар) и возгонки (равновесие кристалл — пар)[3]. Гелий 3Не и 4Не не имеют основной тройной точки — в обоих случаях линии равновесия твёрдой фазы с жидкими (Не I и Не II) и жидких фаз с газообразной нигде не пересекаются: твёрдая фаза находится в равновесии только с жидкой[19][20][16]. Другие вещества с такой особенностью неизвестны[20].

Единственность и нонвариантность основной тройной точки позволяет использовать её как репер температуры. В частности, температурная шкала Кельвина использует тройную точку воды в качестве опорной.

Правило фаз Гиббса ограничивает число сосуществующих фаз — однокомпонентная система в равновесии не может иметь больше трёх фаз[1][2], — но не накладывает ограничений на их агрегатное состояние. Поэтому в случае энантиотропии на диаграмме состояния помимо основной тройной точки появляются дополнительные тройные точки, отвечающие:

Возможно также появление метастабильных тройных точек, расположенных на пересечении линий метастабильных двухфазных равновесий (или продолжений этих линий). В случае монотропии появляется только метастабильная тройная точка[3].

Кристаллическая элементарная сера диморфна, поэтому на фазовой диаграмме серы (см. рисунок; для давления использован логарифмический масштаб) имеются три стабильные тройные точки и одна метастабильная, каждая из которых отвечает условиям термодинамического равновесия трёх фаз[21]:

  • точка А (дополнительная): равновесие твёрдой ромбической Sp, твёрдой моноклинной Sм и газообразной серы Sп;
  • точка В (дополнительная): равновесие твёрдой ромбической, твёрдой моноклинной и жидкой серы Sж;
  • точка С (основная): равновесие твёрдой моноклинной, расплавленной и газообразной серы;
  • точка О (метастабильная): метастабильное равновесие между перегретой твёрдой ромбической, переохлаждённой жидкой и газообразной серой.

Как показывает фазовая диаграмма, ромбическая сера не может одновременно находиться в равновесии с расплавом и парами серы[22], поэтому в основной тройной точке твёрдая фаза представлена моноклинной серой. Метастабильная тройная точка появляется вследствие низкой скорости превращения одной кристаллической модификации серы в другую[23].

В дополнительных тройных точках гелия сосуществуют либо две жидкие фазы (Не I и Не II) и кристаллический гелий, либо две жидкие фазы и газообразный гелий[24]. Для воды в 1975 г. были известны семь дополнительных тройных точек, из них три — для трёх твёрдых фаз[25]. Современные данные см. в статье Фазовая диаграмма воды и на приведённой в этой статье диаграмме.

При увеличении числа компонентов системы (раствора или сплава) увеличивается и число независимых параметров, характеризующих эту систему. Для описания двухкомпонентной системы к температуре и давлению добавляют третий параметр, характеризующий состав системы. Нонвариантной в бинарной системе будет четверная точка (например, в системе соль — кристаллогидрат соли — водный раствор соли — водяной пар, когда газовая, жидкая и две твёрдые фазы находятся в равновесии)[4]. Трёхмерная диаграмма состояния бинарной системы имеет уже множество тройных точек, расположенных на тройной пространственной кривой. На плоской диаграмме равновесие трёх фаз для такой системы можно отобразить, если считать один из параметров постоянным. В общем случае тройные точки существуют на плоских диаграммах состояния систем с любым числом компонентов, если все параметры, определяющие состояние системы, кроме двух, фиксированы[1].

В трёхкомпонентной системе тройной точкой называют нонвариантную точку четырёхфазного равновесия расплава с тремя твёрдыми фазами (тройная эвтектическая точка, точка тройной эвтектики)[3][26][27].

другие языки
aragonés: Punto triple
العربية: نقطة ثلاثية
asturianu: Puntu triple
български: Тройна точка
bosanski: Trojna tačka
català: Punt triple
čeština: Trojný bod
Deutsch: Tripelpunkt
English: Triple point
Esperanto: Triobla punkto
español: Punto triple
français: Point triple
galego: Punto triplo
hrvatski: Trojna točka
magyar: Hármaspont
հայերեն: Եռակի կետ
interlingua: Puncto triple
Bahasa Indonesia: Titik tripel
íslenska: Þrípunktur
italiano: Punto triplo
日本語: 三重点
қазақша: Үштік нүкте
한국어: 삼중점
македонски: Тројна точка
Plattdüütsch: Tripelpunkt
Nederlands: Tripelpunt
norsk nynorsk: Trippelpunkt
occitan: Ponch triple
Piemontèis: Pont tripl
پنجابی: تگنا پوانٹ
português: Ponto triplo
română: Punct triplu
srpskohrvatski / српскохрватски: Trojna tačka
Simple English: Triple point
slovenčina: Trojný bod
slovenščina: Trojna točka
српски / srpski: Тројна тачка
svenska: Trippelpunkt
Kiswahili: Kiwango utatu
українська: Потрійна точка
Tiếng Việt: Điểm ba trạng thái
中文: 三相点
Bân-lâm-gú: Sam-siòng-tiám
粵語: 三相點