Jak temperatura zamarzania wody zależy od ciśnienia atmosferycznego?

Pytanie

Pyta Cezary

Czy słodka woda w górach (np. na 3000 m n.p.m.) zaczyna zamarzać przy 0$^\circ$C czy przy jeszcze niższej temperaturze? Jaka jest zależność temperatury zamarzania wody od ciśnienia atmosferycznego?

Odpowiedź

Odpowiada Laura Meissner

W zrozumieniu zależności temperatury topnienia wody od ciśnienia może pomóc specjalny wykres zwany diagramem fazowym. Wykres ten w przypadku wody (zamieszczony poniżej) przedstawia granice pomiędzy poszczególnymi fazami tej substancji oraz szczególne punkty współistnienia faz. Widać na nim między innymi, że dla zakresu ciśnień od około 1 kPa do 10 MPa linia współistnienia fazy stałej oraz ciekłej (czarna linia oddzielająca obszar niebieski of zielonego) jest w zasadzie pionowa, co oznacza, że w tym zakresie ciśnień temperatura zamarzania (topnienia) wody, która znajduje się na poziomej osi układu współrzędnych, prawie w ogóle się nie zmienia. Różnica temperatury zamarzania pomiędzy wodą w ciśnieniu atmosferycznym, a wodą w punkcie potrójnym (około 612 Pa) to zaledwie 0.01$^\circ$C. Oznacza to, że będąc na wysokości 3000 m n.p.m., gdzie ciśnienie atmosferyczne wynosi około 70 kPa temperatura zamarzania będzie niezauważalnie wyższa od 0$^\circ$C.

Phase_diagram_of_water.svg

Co ciekawe, takie zachowanie jest wyjątkowe dla wody. Dla większości innych substancji krzywa współistnienia fazy stałej z ciekłą nachylona jest bardziej w prawo, co oznacza, że temperatura zamarzania malałaby przy malejącym ciśnieniu, aż osiągnęłaby najniższą wartość w punkcie potrójnym, poniżej którego substancja nie przechodzi już przez fazę ciekłą, lecz podlega sublimacji lub resublimacji między stanem gazowym a stałym.

W przypadku wody, zaczynając od punktu potrójnego i powoli zwiększając ciśnienie, temperatura zamarzania będzie bardzo powoli maleć. Gdy dotrze do poziomu kilku MPa zacznie maleć bardziej gwałtownie, aż przy ciśnieniu około 210 MPa osiągnie minimalną wartość –22$^\circ$C i od tego punktu zacznie radykalnie wzrastać.