نقطه سه‌گانه

نقطه سه‌گانه ، دما و فشاری است که در آن‌ها، سه فاز ماده، در تعادل ترمودینامیکی هستند. به‌طور کلی، یک ماده با p فاز،  نقطه سه‌گانه دارد.

افزون‌بر نقطه سه‌گانه برای فازهای جامد، مایع و گاز، یک نقطه سه‌گانه ممکن است بیش از یک فاز جامد را شامل شود؛ در مواد با چندریخت چندگانه. برای نمونه، هلیوم-۴، یک نقطه سه‌گانه دارد که شامل دو فاز سیال است (نقطه لاندا).

از نقطه سه‌گانه آب برای تعریف کلوین، واحد پایه دمای ترمودینامیکی در سیستم بین‌المللی واحدها (SI) استفاده شده‌است. نقطه سه‌گانه آب، به‌جای اندازه‌گرفتن، تعریف شد، اما، ۲۰۱۹، با بازتعریف واحدهای پایه SI، تغییر یافت. از نقاط سه‌گانه چندین ماده برای تعریف نقاط در مقیاس بین‌المللی دمای ITS-90 استفاده می‌شود، مانند نقطه سه‌گانه هیدروژن (۱۳٫۸۰۳۳K)، یا نقطه سه‌گانه آب (۲۷۳٫۱۶ K یا ۰٫۰۱ درجه سانتیگراد یا ۳۲٫۰۱۸ درجه فارنهایت).

اصطلاح «نقطه سه‌گانه» را، ۱۸۷۳، جیمز تامسون، برادر لرد کلوین پیش نهاد.

نقطه سه‌گانه آب

نقطه سه‌گانه مایع - گاز - جامد 

تنها ترکیب واحدی از فشار و دما هست که در آن، آبِ مایع، یخِ جامد و بخار آب می‌توانند در یک تعادل پایدار در دمای تقریباً ۲۷۳٫۱۵۷۵ کلوین (معادل ۰٫۰۱ درجه سانتی گراد یا ۳۲٫۰۱۳۵ درجه فارنهایت) و فشار بخار جزئی ۶۱۱٫۶۵۷ پاسکال (۶٫۱۱۶۵۷ میلی بار یا ۰٫۰۰۶۰۳۶۵۹ اتمسفر) باشند. در آن مرحله، می‌توان با تغییرات دلخواه کوچک در فشار و دما، همه مواد را به یخ، آب یا بخار تبدیل کرد. حتی اگر فشار کل یک سیستم کاملاً بالاتر از نقطه سه‌گانه آب باشد، به‌شرطی‌که فشار جزئی بخار آب ۶۱۱٫۶۵۷ پاسکال باشد، باز هم می‌توان سیستم را به نقطه سه‌گانه آب رساند. به‌طور دقیق، سطوح جداکننده مراحل مختلف نیز باید کاملاً صاف باشند تا کشش سطحی را بی‌اثر کنند.

نقطه سه‌گانه گاز - مایع - جامد، با حداقل فشاری که  آب (مایع) می‌تواند در آن باشد، مطابق است. در فشارهای پایین‌تر نقطه سه‌گانه (مانند فضای بیرونی)، یخِ جامد هنگامی که در فشار ثابت گرم می‌شود، مستقیم به بخار آب تبدیل می‌شود؛ فرآیندی که به عنوان تصعید شناخته می‌شود. بالاتر از نقطه سه‌گانه، یخِ جامد با گرم شدن در فشار ثابت، ابتدا ذوب می‌شود و آب مایع تشکیل می‌شود، و سپس بخار می‌شود یا می‌جوشد و در دمای بالاتر، بخار تشکیل می‌شود.

برای بیشتر مواد، نقطه سه‌گانه گاز-مایع-جامد نیز کم‌ترین دمایی است که  در آن، مایع می‌تواند باشد. برای آب اما این درست نیست، زیرا نقطه ذوب یخ‌های معمولی به‌عنوان تابعی از فشار کاهش می‌یابد، همان‌طور که توسط خط سبز تیره در نمودار فاز نشان داده شده‌است. در دماهای دقیقاً زیر نقطه سه برابر، فشرده‌سازی در دمای ثابت، بخار آب را ابتدا به جامد و سپس به مایع تبدیل می‌کند (یخ‌آب دارای تراکم کمتری از آب مایع است، بنابراین افزایش فشار، به مایع شدن می‌انجامد).

فشار نقطه سه‌گانه آب، هنگام مأموریت مارینر ۹ به مریخ، به عنوان نقطه مرجع برای تعریف سطح دریا استفاده شد. در مأموریت‌های جدیدتر، به جای فشار، از ارتفاع‌سنجی و اندازه‌گیری گرانش لیزر برای تعریف ارتفاع در مریخ استفاده می‌شود.

فازهای فشار بالا 
در فشارهای بالا، آب دارای یک نمودار فازی پیچیده با ۱۵ مرحله شناخته‌شده یخ و چندین نقطه سه‌گانه است، از جمله ۱۰ تایی که مختصات آن در نمودار نشان داده شده‌است. برای نمونه، نقطه سه‌گانه در ۲۵۱ کلوین (معادل -۲۲ درجه سانتی گراد) مطابق با شرایط همزیستی یخ معمولی، یخ III و آب مایع، همه در تعادل است. همچنین برای همزیستی سه مرحله جامد، نقاط سه‌گانه وجود دارد، به عنوان مثال یخ II، یخ V و یخ VI در ۲۱۸ کلوین (یا −۵۵ درجه سانتی گراد)) و ۶۲۰ مگاپاسکال (معادل ۶۱۲۰ اتمسفر).

نقطه سه‌گانه چند ماده

منابع 

 IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book"). Compiled by A. D. McNaught and A. Wilkinson. Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997). XML on-line corrected version: http://goldbook.iupac.org (2006-) created by M. Nic, J. Jirat, B. Kosata; updates compiled by A. Jenkins. .

ترمودینامیک
تغییرات فازی
خواص شیمیایی
دماهای آستانه
گازها
معرفی‌شده‌های ۱۸۷۳ (میلادی)