水的相图浅析
水是地球上随处可见的物质，也是人类生存所必不可少的要素之一，关于水的起源的认识仍存在很大的分歧,一种学说认为在地球形成后才有形成水的原始元素（氢和氧）。氢与氧在适宜的条件下化合。生成羟基（OH）。羟基再经过复杂的变化，形成水（H2O）；另一种学说认为地球上水来自太空由冰组成的彗星种学说认为在地球形成之前的初始物质中存在一种H2O分子的原始星云，地球形成后降到地球上，从而使地球上有了水。关于水的研究是十分必要而有意义的，到目前为止，也没有统一的定论可以把水在理论上解析得清清楚楚。在这里，我简单地介绍一下水的相图，以及水在高压下的结晶情况。
我们知道，水有三种不同的聚集状态。在指定的温度、压力下可以互成平衡，即
在特定条件下还可以建立其
的三相平衡体系。
表
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１的实验数据表明了水在各种平衡条件下，温度和压力的对应关系。水的相图（图２）就是根据这些数据描绘而成的。
表１ 水的压力～温度平衡关系
温 度（℃）
体系的水蒸气压力(kPa)
(kPa)
(kPa)
(kPa)
-20-15-10-50.00989+20+100374
--0.1910.2860.4210.6102.338101.32.204x104
0.1030.1650.2590.4010.610------
1.996x1051.611x1051.145x1046.18x1040.610
图2 水的相图
在图中我们可以读出各相区及两相平衡线和三相点，关于具体的分区和自由度，相组成分析课堂上已经详细介绍，这里只做简单介绍。
在相图中表示体系（包含有各相）的总组成点称为"物系点"，表示某一相的组成的点称为"相点"，但两者常通称为"状态点"。
1. 单相区：三条两相线将坐标分成三个区域，每个区域代表一个单相区，其中 AOC 为气相区，AOB 为固相区，BOC 为液相区。
2. OA线是冰与水气两相平衡共存的曲线，它表示冰的饱和蒸气压与温度的对应关系，称为"升华曲线"，由图可见，冰的饱和蒸气压是随温度的下降而下降。
3. OC线是（蒸）气与液（水）两相平衡线，它代表气～液平衡时，温度与蒸气压的对应关系，称为"蒸气压曲线"或"蒸发曲线"。OC 线不能向上无限延伸，只能到水的临界点即 374℃ 与 22.3×103kPa 为止；OC 线能向下延伸如虚线 OD 所示，它代表未结冰的过冷水与水蒸气共存，是一种不稳定的状态，称为"亚稳状态"。此种液-气平衡系统处于介稳状态，只要稍受干扰，如受到搅动或有小冰块投入系统，立即就会有冰析出。
4. OB线是固（冰）与液（水）两相平衡线，它表示冰的熔点随外压变化关系，称为冰的"熔化曲线",也称为水的"凝固点曲线"，这条线略向左倾，斜率呈负值，意味着外压剧增，冰的熔点仅略有降低。
5. 三相点：三条两相线的交点 O 是水蒸气、水、冰三相平衡共存的点，称为"三相点"。在三相点上 Ф =3，f =0，故体系的温度、压力皆恒定，不能变动。否则会破坏三相平衡。三相点的压力 p = 0.61kPa ，温度 T = 273.16K，作为国际绝对温标的参考点。
6. OA 线在理论上可向左下方延伸到绝对零点附近，但向右上方不得越过交点 O ，因为事实上不存在升温时该熔化而不熔化的过热冰。OB 线向左上方延伸可达二千个
压力左右，若再向上，会出现多种晶型的冰，称为"同质多晶现象"，情况较复杂。
上面的图2 为低压下相图，只有一个三相点。而在高压下水可能出现同质多晶现象，因此在水的相图上就不止存在一个三相点（如图３），只是这些三相点不出现蒸气相罢了。一般而言，水在高压下共有六种不同结晶形式的冰，即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ（普通冰以Ⅰ表示，冰Ⅳ不稳定）。
图3 压下水各三相点的温度和压力图
表２列出高压下水各三相点的温度和压力。
表２ 水在各三相点时的温度和压力
相
T（℃）
P(kPa)
（Ⅰ）、水、气水、Ⅰ、Ⅲ水、Ⅲ、Ⅴ水、Ⅴ、Ⅵ水、Ⅵ、ⅦⅠ、Ⅱ、ⅢⅡ、Ⅲ、Ⅴ
+0.0099-22.0-17.0+0.16+51.6-34.7-24.3
0.6102.073×1053.459×1056.252×1052.195×1062.127×1053.440×105
在这种高压低温情况下冰的结晶复杂而且基本没有规律可循，这里，我们给出冰的凝固点随压力变化的公式：大气压下，冰的熔点为273.15K。再查表得到此时冰的溶解热，冰的比热容和水的比热容的数值，计算得
此理论结果与实验观测值符合。反映在相图上，表明液固两相平衡线斜率为负值，意味着外压剧增，冰的熔点仅略有降低。
研究发现冰具有12种多形体，其形态结构变化多端。有意思的是日本医学博士江本胜从1994年起，开始拍摄水结晶的照片，不仅拍摄到了很多美丽的冰结晶图片，而且做了一些有趣而有意义的研究。他将从世界各地采来的水样放入冰箱，在冰即将融化成水的临界点，用高速摄影技术留下了一张张水结晶的奇异面孔。在最初的观察中，研究员发现城市中被漂白的自来水几乎无法形成结晶；而只要是天然水，无论出自何处，他们所展现的结晶都异常美丽。，天然水总能形成美丽的结晶，而人工处理过的自来水和放置在电视、电脑、手机旁边的水都无法形成结晶。由此得出了一个无可置疑的结论：美丽的水结晶来自远离污染的大自然。洛基山脉的水，瑞士日内瓦湖水，富士山顶的雪水以及非洲草原的水结晶都是美丽的。而因为用氯来消毒，日本所有城市的自来水都无法形成美丽的结晶。
更特别的是，当研究员异想天开地在实验水两边放上音箱，让水“听”音乐后，一个奇妙的现象产生了：听了贝多芬《田园交响曲》的水结晶美丽工整，而听了莫扎特《第40号交响曲》的水结晶则展现出一种华丽的美。研究员进而在装水的瓶壁上贴上不同的字或照片让水“看”，结果看到“爱和感谢”的水结晶非常清晰地呈现出美丽华美庄严的结晶的六角形；看到“混蛋”之类伤人的字眼的水结晶则破碎而零散。
水对人类创造的语言、文字（包括日文、英文、法文、德文、中文等等）、图像都有所感应，水对善意的信号都报之以独具特色的美丽结晶，对恶意的诅咒则惊恐沮丧，水结晶丑陋不堪。水竟然具有复制、记忆、感受、传达信息的能力。
波动理论告诉人们，世间万物都处在波动的状态中，各自拥有一定的波长和固定的频率。不仅人们周围的物体呈波动状态，就连各种文字、声音、图像，以及我们的心理变化和情感活动也呈现为一种波动状态。而构成人体的60～70％是水，地球表面也有70％被水覆盖，所以当人们看不见、听不到、摸不着波动的时候，水却能感受到，并且受到强烈的影响。
此外，有研究表明，在给液态水体系加压时，水的内部结构发生改变，存在不连续现象。同时，随着分子间氢键的强度增强，液态水的内部结构发生变化，趋向于形成更大的分子团簇，以降低体系的能量。
到这里，我真的觉得水是一种很神奇的物质呢，它结成冰晶，密度反而更小可以漂浮于水面，使水中的生物在寒冷的冬季也仍旧可以生存；它在低温结晶时在不同外界环境影响下可以形成千变万化的晶形。有一句话是这样描述的："雪之结晶，没有任何两片相同。"多么美妙而富有哲理啊。
学生：杨利霞
学号：pb10206119
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