三点

典型的な状態図。緑の実線はほとんどの物質に当てはまります。緑の破線は水の異常な挙動を示しています。

熱力学では、物質の三重点とは、その物質の3つの相（気体、液体、固体）が熱力学的平衡で共存する温度と圧力のことです。^[1]それは昇華、融解、蒸発の曲線が交わる温度と圧力です。例えば、水銀の三重点は、温度-38.8 ° C（-37.8 °F）、圧力0.165 mPaで発生します。

固体、液体、気体の三重点に加えて、複数の多形を持つ物質の場合、三重点には複数の固体相が含まれることがあります。ヘリウム 4 は昇華/沈着曲線がないため、固体相が気相と出会う三重点がないという点で異なります。代わりに、蒸気-液体-超流動点、固体-液体-超流動点、固体-固体-液体点、および固体-固体-超流動点があります。これらはいずれも、三重点ではないラムダ点と混同しないでください。

「三重点」という用語は、1873年にケルビン卿の兄弟であるジェームズ・トムソンによって造られました。^[2]いくつかの物質の三重点は、水素の三重点（13.8033 K）から水の三重点（273.16 K、0.01 °C、または32.018 °F）までの範囲のITS-90国際温度スケールの点を定義するために使用されます。

2019年以前は、水の三重点は、国際単位系（SI）の熱力学的温度の基本単位であるケルビンの定義に使用されていました。 ^[3]ケルビンは、水の三重点が正確に273.16 Kになるように定義されていましたが、2019年のSIの改訂で変更され、ケルビンはボルツマン定数が正確に1.380 649 × 10 ⁻²³ J⋅K ⁻¹となり、水の三重点は実験的に測定された定数となった。

水の三重点

気体・液体・固体の三重点

2019年のSI改訂により、水の三重点の値は定義点としては使用されなくなりました。しかし、その経験的価値は依然として重要です。液体の水、固体の氷、水蒸気が安定した平衡状態で共存する圧力と温度の唯一の組み合わせは、およそ273.16 ± 0.0001 K ^[4]、蒸気圧は611.657パスカル（6.11657 mbar; 0.00603659 atm）である。^[5]^[6]

液体の水は三重点以上の圧力でのみ存在できます。これ以下の宇宙空間の真空では、固体の氷は昇華し、一定圧力で加熱すると直接水蒸気に変わります。逆に、三重点を超えると、固体の氷は一定圧力で加熱するとまず液体の水に溶け、その後、より高い温度で蒸発または沸騰して蒸気になります。

ほとんどの物質では、気体・液体・固体の三重点は液体が存在できる最低温度です。水の場合はそうではありません。通常の氷の融点は、状態図の緑の破線で示されているように、圧力とともに低下します。三重点のすぐ下では、一定温度で圧縮すると、水蒸気はまず固体に、次に液体に変化します。

歴史的には、マリナー9号の火星探査ミッションでは、水の三重点圧力が「海面」を定義するために使用されていました。現在では、レーザー高度測定と重力測定が火星の標高を定義するために好まれています。^[7]

高圧相

高圧下では、水は複雑な相図を持ち、15 種類の既知の氷相と複数の三重点を持ちます。そのうち 10 種類については、座標が図に示されています。たとえば、251 K (-22 °C) および 210 MPa (2070 atm) の三重点は、氷 Ih (通常の氷)、氷 III 、液体の水がすべて平衡状態で共存する条件に対応します。また、 218 K (-55 °C) および 620 MPa (6120 atm) の氷 II 、氷 V、氷 VIなど、3 つの固体相が共存する三重点もあります。

液体と平衡状態で存在できる高圧氷の場合、図は融点が圧力とともに上昇することを示しています。273 K (0 °C) を超える温度では、水蒸気の圧力が上昇すると、まず液体の水になり、次に高圧氷になります。251～273 Kでは、最初に氷 I が形成され、続いて液体の水、さらに氷 III または氷 V が形成され、さらに密度の高い高圧形態が形成されます。

三重点セル

三重点セルは、温度計の校正に使用されます。厳密な作業のため、三重点セルには通常、水素、アルゴン、水銀、水などの高純度の化学物質が充填されます (必要な温度によって異なります)。これらの物質の純度は、100 万分の 1 のみが汚染物質であるようなものであり、99.9999% の純度であるため「シックスナイン」と呼ばれます。同位体組成の変化によって三重点がわずかに変化するため、特定の同位体組成 (水の場合はVSMOW ) が使用されます。三重点セルは、高精度で再現性の高い温度を実現するのに非常に効果的であるため、ITS-90と呼ばれる温度計の国際校正標準では、定義された 6 つの温度点を区切るために、水素、ネオン、酸素、アルゴン、水銀、水の三重点セルを使用しています。

三重点表

この表は、いくつかの物質の気体・液体・固体の三重点を示しています。特に断りのない限り、データは米国国立標準局（現在はNIST、国立標準技術研究所）から得たものです。^[9]

注:

比較すると、一般的な大気圧は 101.325 kPa (1 atm) です。
SI 単位の新しい定義が採用される前は、水の三重点 273.16 K は正確な数値でした。

参照

参考文献

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^ James Thomson (1873)「水物質の気体、液体、固体状態間の特定の関係に関する定量的調査」、Proceedings of the Royal Society、22 : 27–36。28ページの脚注より：「... 3つの曲線は1つの点で交わるか交差するはずで、私はそれを三重点と呼んでいます。」
^ BIPM におけるケルビンの定義。
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外部リンク

ウィキメディア・コモンズの三重点に関連するメディア

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[2] James Thomson (1873)「水物質の気体、液体、固体状態間の特定の関係に関する定量的調査」、Proceedings of the Royal Society、22 : 27–36。28ページの脚注より：「... 3つの曲線は1つの点で交わるか交差するはずで、私はそれを三重点と呼んでいます。」

[3] BIPM におけるケルビンの定義。

[SI_Brochure_9-4] 「SIパンフレット：国際単位系（SI）–第9版」。BIPM 。 2022年2月21日閲覧。

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[9] Cengel, Yunus A.; Turner, Robert H. (2004).熱流体科学の基礎ボストン: McGraw-Hill. p. 78. ISBN 0-07-297675-6。

[10] ブタン（データページ）を参照

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[17] ヘキサフルオロエタン（データページ）を参照

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[20] イソブタン（データページ）を参照

[21] 「シランガス百科事典」。ガス百科事典。エア・リキード。