高校 · 12分
水の相図
三次元の p–T–V 面を回転し p–T 面へ射影する。固体・液体・蒸気の領域は三重点で出会い、液–蒸気線は臨界点で終わる。
目的
p–T 相図を読み、水の固/液/気領域、三重点（0.01 °C、611 Pa）、臨界点（374 °C、22 MPa）を見つける。
器具と試薬
水の仮想 3D 相面（p–T–V）、三重点と臨界点の基準値。
手順
- p 軸と T 軸が画面に重なるまで面を回転させる。その射影が通常の相図。
- 昇華・融解・気化の 3 本の境界線をたどり、それらが出会う点を見つける。
- 気化曲線を上へたどる。無限の圧力へ続かず途中で終わる。それが臨界点。
- 611 Pa 以下で氷が昇華し得る理由と、22 MPa 以上で液体と蒸気が一つの流体に融け合う理由を説明する。
観察すること
- 3 本の共存線が面を分け、氷・水・蒸気が共存する唯一の状態である三重点で出会う。
- 水では融解線がわずかに左に傾く（負の傾き）。氷が液体の水より密度が小さいことの特徴。
解説
クラペイロン式 が、エンタルピー変化と体積変化から各共存線の傾きを与える。水では なので氷の線は左に傾き、蒸気線は臨界点で液–蒸気の密度差が消えるところで終わる。
実験の歴史
ジョサイア・ウィラード・ギブズが 1870 年代に相の熱力学を築いた。水の三重点は 2019 年にケルビンがボルツマン定数で再定義されるまで、ケルビン目盛りの固定点だった。
ゆかりの化学者
関連トピック
バーチャル実験は直感をつかむための簡略化したモデルです。実際の実験や安全教育の代わりにはなりません。指導者なしに自宅で再現しないでください。