Потрі́йна то́чка — макроскопічний стан речовини, за якого її газоподібна, рідка та тверда форми перебувають у рівновазі.Рейф Ф. Статистическая физика: Учебн. руковод. Пер. с англ./Под ред. А. И. Шальникова и А. О. Вайсберга. — 3-е изд., испр. — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986. — (Берклеев. курс физики). — 336 с., ил. На фазовій діаграмі такому стану відповідає точка, в якій сходяться криві розділу фаз.

Існує єдине сполучення значень температури та тиску, за яких усі три фази речовини перебувають у стані термодинамічної рівноваги. Ця властивість робить потрійну точку зручним та легко відтворюваним еталоном температури. Зокрема, для води потрійна точка реалізується за температури 0,01 °C і тиску 611,657 Па.

Окрім потрійної точки для твердої, рідкої та газової фаз, для речовин з кількома поліморфами потрійна точка може включати більше однієї твердої фази. Гелій-4 незвичайний тим, що не має кривої сублімації / осадження і, отже, не має потрійних точок, у яких його тверда фаза зустрічається з газовою фазою. Натомість він має точку пара-рідина-надплинний стан, точку тверда речовина-рідина-надплинний стан, точку тверда речовина-тверда речовина-рідина та точку тверда речовина-тверда речовина-надплинний стан. Жодну з них не слід плутати з лямбда-точкою, яка не є потрійною точкою.

До 2019 року потрійну точку води використовували для визначення кельвіна — основної одиниці вимірювання термодинамічної температури в Міжнародній системі одиниць (SI).Definition of the kelvin at BIPM. Кельвін було визначено так, що потрійна точка води дорівнювала рівно 273,16 K. Але з переглядом SI 2019 року, кельвін перевизначено так, що стала Больцмана дорівнює рівно , а потрійна точка води стала експериментально виміряною сталою.

Значення потрійної точки води фіксують за визначенням, а не вимірюють. Потрійні точки кількох речовин використовують для визначення точок міжнародної температурної шкали ITS-90, починаючи від потрійної точки водню (13.8033 К) і до потрійної точки води (273.16 К, 0,01 °С або 32.018 °F).

За правилом фаз для однокомпонентної термодинамічної системи потрійна точка єдина.

Вперше термін «потрійна точка» використав 3 серпня 1871 року Джеймс Томсон, брат лорда Кельвіна.

Потрійна точка води

Потрійна точка газ-рідина-тверде тіло

Після перегляду СІ 2019 року значення потрійної точки води більше не використовується як визначальна точка. Однак її емпіричне значення залишається важливим: єдина комбінація тиску та температури, за якої рідка вода, твердий лід і водяна пара можуть співіснувати в стабільній рівновазі, виникає при 273,16±0,0001 К і парціальному тиску пари 611,657 Па (6,11657 мбар; 0,00603659 атм)International Equations for the Pressure along the Melting and along the Sublimation Curve of Ordinary Water Substance. W. Wagner, A. Saul and A. Pruss (1994), J. Phys. Chem. Ref. Data, 23, 515.. За таких умов можна перетворити всю речовину на лід, воду або пару, зробивши довільно невеликі зміни тиску та температури. Навіть якщо загальний тиск системи значно перевищує потрійну точку води, за умови, що парціальний тиск водяної пари становить 611,657 Па, то систему все одно можна привести до потрійної точки води. Строго кажучи, поверхні, що розділяють різні фази, також мають бути ідеально плоскими, щоб звести нанівець вплив поверхневого натягу.

Найменший тиск, за якого може існувати рідка вода, дорівнює потрійній точці води, за якої можуть співіснувати газ, рідка і тверда фази. За тиску нижчого від потрійної точки (як у космосі) твердий лід при нагріванні за постійного тиску перетворюється безпосередньо на водяну пару в процесі, відомому як сублімація. Вище від потрійної точки твердий лід при нагріванні за постійного тиску спочатку плавиться з утворенням рідкої води, а потім випаровується або кипить з утворенням пари за вищої температури.

Для більшості речовин потрійна точка газ–рідина–тверде тіло також є мінімальною температурою, за якої може існувати рідина. Однак для води це не так, оскільки температура танення звичайного льоду знижується залежно від тиску, як показано пунктирною зеленою лінією на фазовій діаграмі. За температур трохи нижчих від потрійної точки стиснення за постійної температури перетворює водяну пару спочатку у твердий стан, а потім у рідину (водяний лід має меншу густину, ніж рідка вода, тому підвищення тиску приводить до розрідження).

Історично, під час місії Mariner 9 на Марс, для визначення «рівня моря» використано тиск води в потрійній точці. Зараз для визначення висот на Марсі надають перевагу лазерній альтиметрії та гравітаційним вимірюванням.

Фази високого тиску За високого тиску вода має складну фазову діаграму з 15 відомими фазами льоду та низкою потрійними точками, координати 10 з яких показано на діаграмі. Наприклад, потрійна точка при 251 К (−22 °C) та 210 МПа (2070 атм) відповідає умовам рівноважного співіснування льоду Ih (звичайного льоду), льоду III та води. Існують також потрійні точки зі співіснуванням трьох твердих фаз, наприклад, льоду II, льоду V та льоду VI при 218 К (−55 °C) та 620 МПа (6120 атм).

Для тих форм льоду під високим тиском, які можуть існувати в рівновазі з рідиною, діаграма показує, що точки плавлення зростають із тиском. За температур вище 273 К (0 °C), збільшення тиску на водяну пару приводить спочатку до появи рідкої води, а потім до форми льоду високого тиску. В діапазоні  К, спочатку утворюється лід I, потім рідка вода, а потім лід III або лід V, а потім інші форми високого тиску зі ще більшою густиною.

+Різні потрійні точки водиФази в стабільній рівновазіТискТемпературарідка вода, лід Ih та водяна пара611,657 Па273,16 К (0,0001 °C)рідка вода, лід Ih та лід III209,9 МПа251 К (−22 °C)рідка вода, лід III та лід V350,1 МПа−17,0 °Cрідка вода, лід V та лід VI632,4 МПа0,16 °Cлід I h, лід II та лід III213 МПа−35 °Cлід II, лід III та лід V344 МПа−24 °Cлід II, лід V та лід VI626 МПа−70 °C

Комірки потрійної точки Для калібрування термометрів застосовують комірки потрійної точки. Для точних робіт комірки потрійної точки зазвичай заповнюють високочистою речовиною, як-от водень, аргон, ртуть або вода (залежно від бажаної температури). Чистота цих речовин може досягати однієї частинки забруднювача на мільйон (так звані «шість дев'яток» — 99,9999 %). Використовують певний ізотопний склад (для води ), оскільки зміни ізотопного складу викликають незначні зміни потрійної точки. Комірки потрійної точки настільки ефективні для досягнення високоточних, відтворюваних температур, що міжнародний стандарт калібрування термометрів ITS-90 для визначення шести температурних точок спирається на комірки потрійної точки водню, неону, кисню, аргону, ртуті та води.

Таблиця потрійних точок У цій таблиці наведено потрійні точки газ-рідина-тверде тіло деяких речовин. Якщо не зазначено інше, дані взято з Національного бюро стандартів США (нині NIST, Національний інститут стандартів і технологій). РечовинаT К (°C)p кПа* (атм)АзотАміакАргонАрсенАцетиленБутанВодаВоденьВодень-1 (протій)Вуглець (графіт)Гелій-4 (газ−He-I−He-II)Гелій-4 (ЩП−КС−He-II)Гелій-4 (КС−He-I−He-II)Гелій-4 (ЩП−КС−He-I)ДейтерійДіоксид вуглецюДіоксид сіркиЕтанЕтанолЕтиленІзобутанЙодКисеньКриптонКсенонМетанМонооксид вуглецюМоносиланМурашина кислотаНеонОксид азоту(I)Оксид азоту(II)ПаладійПлатинаРадонРтутьТитанФторид урану(VI)ХлороводеньХлороформ?Цинк Примітки:

Для порівняння, типовий атмосферний тиск становить 101,325 кПа (1 атм). До нового визначення одиниць СІ потрійна точка води, 273,16 K, була точним числом.

Співіснування фаз у нерівноважних системах Твердження про єдиність точки співіснування різних фаз може викликати подив, оскільки начебто суперечить тому, що ми бачимо в повсякденному житті. Сидячи задушливого дня і попиваючи прохолоджувальний напій із льодом, ми спостерігаємо всі три агрегатні стани води: пару, лід і рідину. Пояснення такого явища полягає в тому, що за цих умов термодинамічна рівновага ще не встановилася: лід у склянці ще не розтанув, і вода ще не випарувалася.

Примітки