Водень (H₂) — це найпростіший і найлегший елемент періодичної системи. На лінії насичення пар–рідина він перебуває у термодинамічному рівноважному стані, коли рідина і пар існують одночасно при певній температурі і тиску.
Лінія насичення відповідає кривій фазового переходу, де відбувається кипіння або конденсація водню.
Основні властивості H₂ на лінії насичення
| Властивість | Значення / коментарі |
|---|---|
| Температура кипіння при 1 атм | 20,28 K |
| Температура плавлення при 1 атм | 13,81 K |
| Тиск насичення при даній температурі | Залежить від температури, зростає при підвищенні T |
| Щільність рідини (ρ_liq) | ≈ 70,8 кг/м³ при 20 K |
| Щільність пари (ρ_vap) | ≈ 1,0 кг/м³ при 20 K |
| Ентальпія випаровування (ΔH_vap) | ≈ 0,449 кДж/г |
| Критична температура (T_c) | 33,19 K |
| Критичний тиск (P_c) | 1,293 МПа |
| Критична щільність (ρ_c) | ≈ 31,3 кг/м³ |
| Теплоємність рідини (C_p,liq) | ≈ 9,7 Дж/(моль·K) при 20 K |
| Теплоємність пари (C_p,vap) | ≈ 28,8 Дж/(моль·K) при 20 K |
| Температура, ° C | Тиск насиченої пари, кгс / см 2 | Теплота випаровування, ккал / кг | Поверхневий натяг, дин / см |
| -259 | 0,0800 | 109,51 | – |
| -258 | 0,1385 | 110,05 | 2,80 |
| -257 | 0,2222 | 110,31 | 2,63 |
| -256 | 0,3394 | 110,43 | 2,46 |
| -255 | 0,4963 | 110,25 | 2,29 |
| -254 | 0,7003 | 109,74 | 2,12 |
| -253 | 0,9596 | 109,00 | 1,95 |
| -252 | 1,282 | 107,83 | 1,78 |
| -251 | 1,675 | 106,15 | 1,61 |
| -250 | 2,148 | 104,17 | 1,44 |
| -249 | 2,710 | 101,62 | 1,27 |
| -248 | 3,370 | 98,58 | 1,10 |
| -247 | 4,136 | 94,93 | 0,93 |
| -246 | 5,017 | 90,56 | 0,78 |
| -245 | 6,021 | 85,37 | 0,62 |
| -244 | 7,156 | 79,10 | 0,46 |
| -243 | 8,435 | 71,28 | 0,31 |
| -242 | 9,861 | 56,63 | 0,19 |
| -241 | 11,47 | 47,88 | 0,09 |
| -240 | 13,27 | 9,57 | – |
Особливості на лінії насичення
- Рідина H₂ дуже легка і низької густини, тому навіть при кипінні вона має дуже малу масу.
- Пар H₂ над рідиною дуже розріджений і характеризується високою теплопровідністю.
- Тиск насичення зростає з температурою, описується класичною кривою Клапейрона–Клаузіуса:
ln(P_sat) = - ΔH_vap / (R T) + C
де:
- P_sat — тиск насичення,
- ΔH_vap — ентальпія випаровування,
- R — газова стала,
- T — температура,
- C — константа інтегрування.
- Відносне стиснення рідини H₂ дуже велике, що важливо для кріогенного зберігання.
Ключові точки
| Параметр | Значення |
|---|---|
| Температура тройної точки | 13,81 K |
| Температура кипіння | 20,28 K |
| Критична точка | T_c = 33,19 K, P_c = 1,293 МПа |
| Щільність рідини при T_b | 70,8 кг/м³ |
| Щільність пари при T_b | 1,0 кг/м³ |
Практичне значення
- Кріогенна техніка: рідкий водень використовується як охолоджувач і паливо.
- Астрофізика та космічні дослідження: рідкий водень — основне ракетне паливо.
- Фазові діаграми H₂ допомагають проектувати системи зберігання водню і розраховувати тиск і температуру в резервуарах.