三重点

純物質の三重点：3つの相が共存する特別な状態

物質は、温度と圧力によって気体、液体、固体の3つの相（状態）を取り得ます。これらの相が熱力学的な平衡状態にある特定の温度と圧力の組み合わせを、三重点と呼びます。通常、三重点という場合は、気相、液相、固相の3相が同時に存在する状態を指します。

例えば、水の場合、水蒸気、液体水、氷が共存する状態が水の三重点です。この状態は、特定の温度と圧力でのみ実現します。三重点の温度と圧力は、物質によって異なり、その物質に固有の物理定数となります。

相律と相図

三重点にある純物質は、ギブズの相律に従い、自由度が0となります。これは、沸点や融点とは異なり、温度と圧力が唯一に決定されることを意味します。

温度と圧力の関係を示す相図上で、三重点は気体と液体の境界線（蒸気圧曲線）、液体と固体の境界線（融解曲線）、固体と気体の境界線（昇華曲線）の3本の線が交わる点として表現されます。これらの曲線の交点の温度と圧力が、その物質の三重点です。

水の三重点：温度標準としての重要性

2019年までは、水の三重点の熱力学温度の1/273.16がケルビンの定義に用いられていました。そのため、水の三重点の温度は厳密に0.01℃ (273.16 K)と定義されており、非常に精密な温度標準として利用されてきました。水の三重点の圧力は約611.657 Pa (約0.006気圧)です。

水の三重点セルと呼ばれる特殊な装置を用いることで、高精度に水の三重点を再現することが可能です。この技術は、精密な温度測定や校正に不可欠です。 火星の「標高0メートル」は、水の三重点の圧力と同じ気圧を示す高度として定義されているという興味深い事実もあります。

温度定点としての利用

水以外にも、いくつかの純物質の三重点は、国際温度目盛（ITS-90）の温度定点として利用されています。これらの三重点温度はITS-90で定義されていますが、三重点圧力は測定値に基づいており、文献によって多少のばらつきがあります。

硫黄の三重点：多様な同素体と複数の三重点

硫黄は、斜方硫黄と単斜硫黄という二つの主要な同素体を持っています。そのため、硫黄には、斜方硫黄-単斜硫黄-気相、単斜硫黄-液相-気相、斜方硫黄-単斜硫黄-液相、斜方硫黄-液相-気相の4つの三重点が存在します。これらの三重点は、それぞれ異なる温度と圧力で実現します。

ヘリウムのλ点と三重点：超流動性と複雑な相図

ヘリウムは、低温下で超流動性という特異な性質を示す物質です。ヘリウムの相図は非常に複雑で、気相、常流動相(He-I)、超流動相(He-II)、固相が存在します。ヘリウムの沸点である4.2 Kで、液相ヘリウムを排気すると、2.1768 Kで超流動相(He-II)への相転移が起こります。この点をヘリウム4のλ点と呼びますが、IUPACの定義では三重点とは分類されていません。これは、常流動相と超流動相の相転移が連続的なため、両相が同時に共存しないためです。

ヘリウムには、気相-液相-固相の三重点は存在せず、固相-固相-液相の三重点が2つ知られています。これはヘリウムが、25気圧以上に加圧しないと結晶化しないことと関係しています。

まとめ

純物質の三重点は、物質の熱力学的性質を理解する上で重要な概念です。特に水の三重点は、精密な温度測定の基準として重要な役割を果たしており、様々な科学技術分野で利用されています。一方、硫黄やヘリウムのように、複数の同素体を持つ物質や低温で特殊な性質を示す物質では、より複雑な相図と複数の三重点が存在することがあります。

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