Тройная точка воды — редкое состояние, при котором лёд, жидкая вода и водяной пар могут существовать одновременно. Это не фокус и не ошибка формулировки: три фазы действительно находятся в термодинамическом равновесии.
Какие условия нужны
Для обычной воды тройная точка находится при температуре около 273,16 K, то есть 0,01 °C, и давлении примерно 611,657 Па. Это лишь около 0,6% стандартного атмосферного давления у уровня моря. Значения приводит Национальный институт стандартов и технологий США (NIST) в описании реализации единицы кельвин.
При таком сочетании температуры и давления границы между твёрдой, жидкой и газообразной фазами сходятся. Молекулы воды постоянно переходят из одного состояния в другое, но в среднем количество каждой фазы не меняется. Поэтому корректнее говорить не о том, что один и тот же кусочек воды буквально «кипит и замерзает» одновременно, а о сосуществовании льда, жидкости и пара в одной закрытой системе.
Почему этого не увидеть на кухне
При нормальном атмосферном давлении вода замерзает примерно при 0 °C и кипит около 100 °C, поэтому процессы разделены. Для тройной точки нужна герметичная ячейка, очень чистая вода и тщательно контролируемое низкое давление. NIST описывает специальные стеклянные ячейки, внутри которых создают ледяную оболочку и поддерживают условия, позволяющие получить воспроизводимую температуру 273,16 K. Подробности есть также на странице NIST о единицах температуры SI.
Зачем физикам эта точка
До реформы Международной системы единиц 2019 года кельвин определяли через тройную точку воды: один кельвин был равен 1/273,16 её термодинамической температуры. Сейчас кельвин связан с фиксированным значением постоянной Больцмана, однако тройная точка воды остаётся важнейшей опорной точкой Международной температурной шкалы ITS-90 и используется для калибровки точных термометров.
Есть и важная оговорка: на результат влияет изотопный состав и чистота образца. Поэтому метрологи используют воду с заданным составом, а не произвольную воду из-под крана. Именно строгие условия превращают необычный факт в надёжный эталон измерений.
Другие объяснения необычных явлений собраны в рубрике «Факты».
