Każdy punkt wykresu odpowiada jednemu stanowi wody: parze temperatura–ciśnienie \( (T,\,p) \). Obszary między krzywymi to warunki, w których trwale istnieje jedna faza: ciało stałe (lód), ciecz (woda) albo gaz (para wodna). Na samych krzywych dwie fazy współistnieją w równowadze:

• krzywa sublimacji — równowaga lód ⇌ para (poniżej punktu potrójnego),
• krzywa topnienia — równowaga lód ⇌ woda,
• krzywa parowania — równowaga woda ⇌ para; punkt tej krzywej przy danym ciśnieniu wyznacza temperaturę wrzenia.

Uwaga: parowanie powierzchniowe zachodzi w każdej temperaturze, w której istnieje ciecz — najszybsze cząsteczki opuszczają jej powierzchnię także daleko od krzywej parowania. Sama krzywa opisuje natomiast stan równowagi cieczy z parą nasyconą: gdy ciśnienie pary nasyconej zrówna się z ciśnieniem zewnętrznym, parowanie zachodzi w całej objętości cieczy — to właśnie wrzenie.

W punkcie potrójnym (dla wody: \( T = 0{,}01\ ^\circ\mathrm{C} \), \( p \approx 611{,}7\ \mathrm{Pa} \)) współistnieją wszystkie trzy fazy. Krzywa parowania kończy się w punkcie krytycznym (\( T_{kr} \approx 374\ ^\circ\mathrm{C} \), \( p_{kr} \approx 22{,}1\ \mathrm{MPa} \)). Dla \( T > T_{kr} \) i jednocześnie \( p > p_{kr} \) znajdujemy się w obszarze płynu nadkrytycznego, w którym różnica między cieczą a gazem zanika. Przerywane linie na wykresie to umowne granice obszaru nadkrytycznego, a nie granice faz.

Ciekawostka metrologiczna: do 2019 r. punkt potrójny wody definiował kelwin (przypisano mu dokładnie 273,16 K). Współcześnie kelwin jest zdefiniowany przez ustaloną wartość stałej Boltzmanna \( k = 1{,}380\,649\cdot 10^{-23}\ \mathrm{J/K} \), a punkt potrójny pozostał bardzo dokładnym punktem odniesienia w termometrii.

Nachylenie krzywych równowagi opisuje równanie Clausiusa–Clapeyrona:

\( \dfrac{dp}{dT} = \dfrac{L}{T\,\Delta V} \)

gdzie \( L \) to ciepło przemiany, a \( \Delta V \) — zmiana objętości podczas przemiany. Dla topnienia większości substancji \( \Delta V > 0 \) (ciecz zajmuje więcej miejsca niż kryształ), więc krzywa topnienia pochyla się w prawo. Lód jest wyjątkiem: ma większą objętość właściwą niż woda, więc \( \Delta V < 0 \) i \( \dfrac{dp}{dT} < 0 \). Dlatego ściskanie lodu może go stopić — to jedna z anomalii wody.

• Oś ciśnienia jest logarytmiczna — inaczej punkt potrójny (ok. 611,7 Pa) i punkt krytyczny (ok. 22,06 MPa) nie zmieściłyby się czytelnie na jednym wykresie.
• Nachylenie krzywej topnienia wody to ok. \( -7{,}4\cdot 10^{-8}\ \mathrm{K/Pa} \) (ok. −0,74 K na każde 10 MPa; zależność zlinearyzowana wokół punktu potrójnego). Wykres i symulacja używają tej rzeczywistej wartości — dlatego krzywa jest niemal pionowa, a jej pochylenie w lewo ujawnia się dopiero przy ciśnieniach rzędu dziesiątków megapaskali.
• Krzywe parowania i sublimacji wykreślono z tablicowych danych ciśnienia pary nasyconej wody (interpolacja w układzie \( T,\ \log p \)).
• Model cząsteczkowy jest poglądowy: pokazuje charakter ruchu cząsteczek w każdej fazie (drgania w sieci, ruch dyfuzyjny w cieczy, swobodne loty w gazie), ale nie odwzorowuje rzeczywistych gęstości faz ani nie jest symulacją dynamiki molekularnej.

1. Ustaw \( T = 50\ ^\circ\mathrm{C} \) i \( p = 5\ \mathrm{kPa} \). W jakim stanie skupienia jest woda? Dlaczego, mimo że temperatura jest znacznie niższa od 100 °C?
   Odpowiedź

   W stanie gazowym. Przy 50 °C ciśnienie pary nasyconej wynosi ok. 12,3 kPa — skoro ciśnienie w naczyniu (5 kPa) jest od niego niższe, punkt stanu leży pod krzywą parowania, w obszarze gazu. Temperatura wrzenia zależy od ciśnienia.

2. Na szczycie Mount Everestu ciśnienie atmosferyczne wynosi ok. 34 kPa. Odczytaj z wykresu (przycisk „Everest”), w jakiej temperaturze wrze tam woda.
   Odpowiedź

   Ok. 72 °C — w tym punkcie krzywa parowania przecina poziom ciśnienia 34 kPa. Dlatego w wysokich górach nie da się ugotować jajka na twardo w „zwykły” sposób.

3. Lód o temperaturze \( -5\ ^\circ\mathrm{C} \) poddajemy coraz większemu ciśnieniu (przesuwaj punkt stanu pionowo w górę). Co się stanie przy dostatecznie dużym ciśnieniu i o jakiej własności wody to świadczy?
   Odpowiedź

   Punkt stanu przetnie pochyloną w lewo krzywą topnienia i lód się stopi. To skutek anomalii wody: lód ma większą objętość niż woda, więc wzrost ciśnienia sprzyja fazie o mniejszej objętości — cieczy. Dla −5 °C potrzeba ok. 68 MPa — sprawdź, przesuwając punkt stanu pionowo w górę.

4. Czy parę wodną o temperaturze \( 400\ ^\circ\mathrm{C} \) można skroplić, sprężając ją izotermicznie?
   Odpowiedź

   Nie. Temperatura jest wyższa od temperatury krytycznej wody (ok. 374 °C) — przesuwając punkt stanu pionowo w górę, nie przetniemy krzywej parowania, bo ta kończy się w punkcie krytycznym. Gaz przejdzie w stan nadkrytyczny bez skraplania.