จุดร่วมสาม

จุดร่วมสาม (Triple point) ในอุณหพลศาสตร์ คืออุณหภูมิและความดันที่พอดีที่ทำให้สารสามารถอยู่ในสถานะทั้งของแข็ง ของเหลว และแก๊ส พร้อมกันได้อย่างสมดุล คือ อุณหภูมิและความดันที่เส้นโค้งการระเหิด, การหลอมเหลว และการกลายเป็นไอมาบรรจบกัน ยกตัวอย่างเช่น จุดร่วมสามของปรอทเกิดขึ้นที่อุณหภูมิ −38.8 องศาเซลเซียส (หรือ −37.8 องศาฟาเรนไฮต์) และความดัน 0.165 มิลลิปาสกาล

นอกจากจุดร่วมสามที่สารสามารถอยู่ในสถานะของแข็ง ของเหลว และแก๊สพร้อมกันแล้ว สารบางชนิดที่มีรูปผลึกหลายแบบ (พอลิมอร์ฟ) ยังสามารถมีจุดร่วมสามที่เกี่ยวข้องกับสถานะของแข็งมากกว่าหนึ่งสถานะได้อีกด้วย เช่น ฮีเลียม-4 ที่เป็นกรณีที่ไม่มีเส้นกราฟการระเหิด/การตกผลึก และดังนั้นจึงไม่มีจุดร่วมสามที่สถานะของแข็งตัดกับสถานะแก๊ส แต่จะมีจุดร่วมสามที่เป็นจุดที่เส้นกราฟของของเหลว-ซูเปอร์ฟลูอิด สถานะของแข็ง-ของเหลว-ซูเปอร์ฟลูอิด และจุดที่เส้นกราฟของสถานะของแข็ง-ของแข็ง-ของเหลวตัดกัน ทั้งนี้ต้องไม่สับสนกับ จุดแลมบ์ดา ซึ่งไม่ใช่จุดร่วมสามในทางใดทางหนึ่ง

คำว่า "จุดร่วมสาม" ถูกบัญญัติขึ้นในปี ค.ศ. 1873 โดย เจมส์ ทอมสัน พี่ชายของ วิลเลียม ทอมสัน บารอนเคลวินที่ 1James Thomson (1873) "A quantitative investigation of certain relations between the gaseous, the liquid, and the solid states of water-substance", Proceedings of the Royal Society, 22 : 27–36. จากเชิงอรรถในหน้า 28: " … the three curves would meet or cross each other in one point, which I have called the triple point". จุดร่วมสามของสารหลายชนิดถูกใช้เพื่อกำหนดจุดต่าง ๆ ใน ITS-90 สเกลอุณหภูมิสากล, ซึ่งมีตั้งแต่จุดร่วมสามของไฮโดรเจน (13.8033 K) จนถึงจุดร่วมสามของน้ำ (273.16 K, 0.01 °C, หรือ 32.018 °F)

ก่อนปี ค.ศ. 2019 จุดร่วมสามของ น้ำ ถูกใช้เพื่อกำหนดนิยามของ เคลวิน หน่วยฐานของ ระบบหน่วยวัดระหว่างประเทศ (SI) ที่ใช้อุณหพลศาสตร์Definition of the kelvin at BIPM. เคลวินถูกกำหนดให้นิยามในลักษณะที่ทำให้จุดร่วมสามของน้ำมีค่าเท่ากับ 273.16 K แต่สิ่งนี้เปลี่ยนแปลงไปตาม การปรับนิยามหน่วยฐาน SI ปี 2019 ซึ่งเคลวินถูกกำหนดให้นิยามใหม่เพื่อให้ ค่าคงตัวบ็อลทซ์มัน มีค่าเท่ากับ 1.380649×10−23 J⋅K−1 และจุดร่วมสามของน้ำกลายเป็นค่าคงที่ที่ต้องวัดผ่านการทดลอง

 จุดร่วมสามของน้ำ 
จากการกำหนดนิยามหน่วยฐาน SI ใหม่ในปี 2019 ค่าอุณหภูมิของจุดสามสถานะของน้ำไม่ได้ถูกใช้เป็นจุดอ้างอิงอีกต่อไป แต่ค่ายังมีความสำคัญในทางปฏิบัติ: การผสมผสานที่ไม่ซ้ำกันของความดันและอุณหภูมิที่ น้ำ ของเหลว น้ำแข็ง แข็ง และ ไอน้ำ อยู่ร่วมกันในภาวะสมดุลคงที่อยู่ที่ประมาณ  และความดันไอ International Equations for the Pressure along the Melting and along the Sublimation Curve of Ordinary Water Substance.

น้ำเหลวสามารถมีอยู่ได้ภายใต้ความดันที่เท่ากับหรือมากกว่าจุดสามเท่าเท่านั้น ด้านล่างนี้ ในสุญญากาศของอวกาศ น้ำแข็งแข็งจะระเหิด กลายเป็นไอน้ำโดยตรงเมื่อได้รับความร้อนที่ความดันคงที่ ในทางกลับกัน เหนือจุดสามประการ น้ำแข็งแข็งจะละลายเป็นน้ำของเหลวก่อนเมื่อได้รับความร้อนที่ความดันคงที่ จากนั้นระเหยหรือเดือดกลายเป็นไอที่อุณหภูมิสูงกว่า

สำหรับสารส่วนใหญ่ จุดสามสถานะคืออุณหภูมิต่ำสุดที่ของเหลวสามารถดำรงอยู่ได้ สำหรับน้ำนี่ไม่ใช่กรณี จุดหลอมเหลวของน้ำแข็งธรรมดาจะลดลงตามความดัน ดังที่แสดงด้วยเส้นประสีเขียวในแผนภาพเฟส ตรงด้านล่างจุดร่วมสาม การบีบอัดที่อุณหภูมิคงที่จะเปลี่ยนไอน้ำเป็นของแข็งก่อน จากนั้นจึงเป็นของเหลว

ในอดีต ในระหว่างภารกิจ มาริเนอร์ 9 ไปยัง ดาวอังคาร แรงดันน้ำสามจุดถูกนำมาใช้เพื่อกำหนด "ระดับน้ำทะเล" ปัจจุบัน การวัด ระยะสูงด้วยเลเซอร์ และแรงโน้มถ่วงเป็นที่นิยมในการกำหนดระดับความสูงของดาวอังคาร

 เฟสแรงดันสูง 
ที่ความดันสูง น้ำจะมี แผนภาพเฟสที่ ซับซ้อนซึ่งประกอบด้วย เฟสของน้ำแข็ง ที่รู้จัก 15 เฟส และจุดสามสถานะหลายจุด รวมทั้ง 10 เฟสที่มีพิกัดแสดงไว้ในแผนภาพ เช่น จุดร่วมสามที่ 251 เค (−22 °C) และ 210 เมกะปาสกาล (2070 atm) สอดคล้องกับเงื่อนไขการอยู่ร่วมกันของ น้ำแข็ง Ih (น้ำแข็งธรรมดา) น้ำแข็ง III และน้ำของเหลว ทั้งหมดอยู่ในภาวะสมดุล ยังมีจุดร่วมสามสำหรับการอยู่ร่วมกันของเฟสของแข็งทั้งสาม เช่น น้ำแข็ง II น้ำแข็ง V และน้ำแข็ง VI ที่ 218 เค (−55 °C) และ 620 เมกะปาสกาล (6120 ATM)

สำหรับน้ำแข็งที่มีแรงดันสูงซึ่งสามารถคงอยู่ในภาวะสมดุลกับของเหลวได้ แผนภาพแสดงให้เห็นว่าจุดหลอมเหลวจะเพิ่มขึ้นตามความดัน ที่อุณหภูมิสูงกว่า 273 เค (0 °C) ทำให้แรงดันไอน้ำเพิ่มขึ้น จนทำให้เกิดน้ำเหลวก่อน จากนั้นจึงเป็นน้ำแข็งที่มีแรงดันสูงในที่สุด ในช่วง  น้ำแข็ง I จะก่อตัวก่อน ตามด้วยน้ำของเหลว แล้วจึงตามด้วยน้ำแข็ง III หรือน้ำแข็ง V และตามด้วยรูปแบบอื่น ๆ ที่มีแรงดันสูงและหนาแน่นกว่า
+จุดสามประการของน้ำเฟสที่อยู่ในภาวะสมดุลคงที่ความดันอุณหภูมิน้ำเหลว, น้ำเข็ง Ih, และไอน้ำ611.657 ปาสกาล 273.16 กิโล (0.01 องศาเซลเซียส)น้ำเหลว น้ำแข็ง I และ น้ำแข็ง III209.9 เมกะปาสกาล251 กิโล (−22 องศาเซลเซียส)น้ำเหลว น้ำแข็ง III และ น้ำแข็ง V350.1 เมกะปาสกาล -17.0 องศาเซลเซียสน้ำเหลว น้ำแข็ง V และ น้ำแข็ง VI632.4 เมกะปาสกาล0.16 องศาเซลเซียสไอซ์ 1, ไอซ์ 2 และ ไอซ์ 3213 เมกะปาสกาล -35 น. องศาเซลเซียสไอซ์ II, ไอซ์ III, และไอซ์ V344 เมกะปาสกาล -24 องศาเซลเซียสน้ำแข็ง II, น้ำแข็ง V และน้ำแข็ง VI626 เมกะปาสกาล -70 องศาเซลเซียส
เซลล์สามจุดใช้ใน การสอบเทียบ เทอร์โมมิเตอร์ สำหรับงานที่ต้องการความแม่นยำสูง เซลล์สามจุดมักจะเต็มไปด้วยสารเคมีที่มีความบริสุทธิ์สูง เช่น ไฮโดรเจน อาร์กอน ปรอท หรือน้ำ (ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิที่ต้องการ) ความบริสุทธิ์ของสารเหล่านี้อาจมีได้เพียงหนึ่งส่วนจากล้านส่วนเท่านั้นที่เป็นสารปนเปื้อน เรียกว่า "หกเก้า" เพราะว่ามีความบริสุทธิ์ 99.9999% ใช้องค์ประกอบ ไอโซโทป ที่เฉพาะเจาะจง (สำหรับน้ำ VSMOW) เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงในองค์ประกอบไอโซโทปทำให้จุดสามตัวมีการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อย เซลล์สามจุดมีประสิทธิภาพในการบรรลุอุณหภูมิที่แม่นยำสูงและทำซ้ำได้ จนกระทั่งมาตรฐานการสอบเทียบสากลสำหรับเทอร์โมมิเตอร์ที่เรียกว่า ITS–90 ต้องใช้เซลล์สามจุดของ ไฮโดรเจน นีออน ออกซิเจน อาร์กอน ปรอท และ น้ำ ในการกำหนดจุดอุณหภูมิที่กำหนดไว้ 6 จุด

 ตารางจุดสามสถานะ 
ตารางนี้แสดงจุดสามสถานะของก๊าซ-ของเหลว-ของแข็งของสารหลายชนิด เว้นแต่จะระบุไว้เป็นอย่างอื่น ข้อมูลจะมาจาก สำนักงานมาตรฐานแห่งชาติ ของสหรัฐอเมริกา (ปัจจุบันคือ NIST หรือ สถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติ)
สารT [K] (°C)p [kPa]* (atm)AcetyleneAmmoniaArgonArsenicButaneCarbon (graphite)Carbon dioxideCarbon monoxideChloroform ?DeuteriumEthaneEthanolEthyleneFormic acidHelium-4 (vapor−He-I−He-II) Helium-4 (hcp−bcc−He-II) Helium-4 (bcc−He-I−He-II) Helium-4 (hcp−bcc−He-I) HexafluoroethaneHydrogenHydrogen-1 (Protium) Hydrogen chlorideIodineIsobutaneKryptonMercuryMethaneNeonNitric oxideNitrogenNitrous oxideOxygenPalladiumPlatinumRadon(mono) SilaneSulfur dioxideTitaniumUranium hexafluorideWaterXenonZinc
หมายเหตุ:

 เพื่อการเปรียบเทียบ ความดันบรรยากาศทั่วไปคือ 101.325 kPa (1 atm)
 ก่อนจะมีการกำหนดหน่วย SI ใหม่ จุดร่วมสามของน้ำ คือ 273.16 K ถือเป็นตัวเลขที่แน่นอน

 อ้างอิง 

 แหล่งข้อมูลอื่น 


หมวดหมู่:แก๊ส
หมวดหมู่:อุณหพลศาสตร์
หมวดหมู่:การเปลี่ยนสถานะ
หมวดหมู่:สมบัติทางเคมี