Triple Point: Caracteristicile apei, ciclohexanului și benzenului

Punctul triplu este un termen în domeniul termodinamicii care se referă la temperatura și presiunea în care există simultan trei faze ale unei substanțe într-o stare de echilibru termodinamic. Acest punct există pentru toate substanțele, deși condițiile în care sunt obținute variază enorm între fiecare.

Un punct triplu poate implica, de asemenea, mai multe faze de același tip pentru o anumită substanță; adică, se observă două faze diferite de solid, lichid sau gaz. Heliu, în special izotopul său heliu-4, este un bun exemplu al unui punct triplu care implică două faze individuale de fluide: lichid normal și superfluid.

Caracteristicile punctului triplu

Punctul triplă al apei este utilizat pentru a defini Kelvin, unitatea de bază a temperaturii termodinamice în sistemul internațional de unități (SI). Această valoare este fixată prin definiție în loc de măsurată.

Punctele triple ale fiecărei substanțe pot fi observate prin utilizarea diagramelor de fază, care sunt grafice grafice care permit demonstrarea condițiilor limitative ale fazelor solide, lichide, gazoase (și altele, în cazuri speciale) ale unei substanțe în timp ce ei exercită schimbări de temperatură, presiune și / sau solubilitate.

O substanță se găsește la punctul de topire în care solidul întâlnește lichidul; Se găsește de asemenea la punctul de fierbere în care lichidul întâlnește gazul. Cu toate acestea, se află la punctul triplu în care se realizează toate cele trei faze. Aceste diagrame vor fi diferite pentru fiecare substanță, așa cum se va vedea mai târziu.

Punctul triplu poate fi utilizat eficient în calibrarea termometrelor, utilizând celule cu puncte triple.

Acestea sunt eșantioane de substanțe aflate în condiții izolate (în "celule" de sticlă) care se află la punctul lor triplă cu condiții de temperatură și presiune cunoscute, facilitând astfel studierea acurateței măsurătorilor termometrului.

Studiul acestui concept a fost, de asemenea, folosit în explorarea planetei Marte, în care a fost încercat să cunoaștem nivelul mării în timpul misiunilor desfășurate în deceniul anilor 1970.

Triple punct de apă

Condițiile precise de presiune și temperatură la care coexistă apa în cele trei faze ale echilibrului - apă lichidă, gheață și vapori - apar la o temperatură exactă de 273, 16 K (0, 01 ° C) și o presiune parțială a vaporilor de 611, 656 pascali (0, 00603659 atm).

În acest moment este posibilă conversia substanței în oricare dintre cele trei faze, cu modificări minime ale temperaturii sau presiunii acesteia. Chiar dacă presiunea totală a sistemului ar putea fi localizată deasupra nivelului necesar pentru punctul triplu, dacă presiunea parțială a aburului este de 611.656 Pa, sistemul va ajunge în mod egal la punctul triplu.

Este posibil să se observe în figura precedentă reprezentarea punctului triplu (sau triplului punct, în limba engleză) a unei substanțe a cărei diagramă este similară celei a apei, în funcție de temperatura și presiunea necesare pentru a atinge această valoare.

În cazul apei, acest punct corespunde presiunii minime la care poate apărea apă lichidă. La presiuni mai mici decât acest punct triplu (de exemplu, într-un vid) și când se utilizează o încălzire cu presiune constantă, gheața solidă se va transforma direct în vapori de apă fără a trece prin lichid; Acesta este un proces numit sublimare.

Dincolo de această presiune minimă ( _Ptp ), gheața se va topi mai întâi pentru a forma apă lichidă și numai atunci se va evapora sau se va fierbe pentru a forma vapori.

Pentru multe substanțe, valoarea temperaturii la punctul său triplu este temperatura minimă la care poate exista faza lichidă, dar acest lucru nu se întâmplă în cazul apei. Pentru apă, acest lucru nu se întâmplă, deoarece punctul de topire al gheții scade în funcție de presiune, după cum arată linia verde punctată din figura precedentă.

În fazele de înaltă presiune, apa are o diagramă de fază destul de complexă, în care sunt prezentate cincisprezece faze de gheață cunoscute (la diferite temperaturi și presiuni), în plus față de zece puncte triple diferite, care sunt vizualizate în figura următoare:

Se poate observa că, în condiții de presiune înaltă, gheața poate exista în echilibru cu lichidul; Diagrama arată că punctele de topire cresc cu presiune. La temperaturi constant scăzute și presiune tot mai mare, aburul poate fi transformat direct în gheață, fără a trece prin faza lichidă.

Diferitele condiții care au loc pe planetele în care a fost studiat punctul triplu (Pământul la nivelul mării și în zona ecuatorie a planetei Marte) sunt reprezentate și în această diagramă.

Diagrama clarifică faptul că punctul triplu variază în funcție de locație din motive de presiune și temperatură atmosferică, și nu numai de intervenția experimenterului.

Triplul punct al ciclohexanului

Ciclohexanul este un cicloalcan care are formula moleculară de C6H12. Această substanță are particularitatea de a avea condiții triple care pot fi reproduse cu ușurință, ca în cazul apei, deoarece acest punct este localizat la o temperatură de 279, 47 K și o presiune de 5, 388 kPa.

În aceste condiții, compusul a fost observat să fiarbă, să se solidifice și să se topească cu modificări minore ale temperaturii și presiunii.

Benzen triple punct

Într-un caz similar ciclohexanului, benzenul (compus organic cu formula chimică C6H6) a reprodus cu ușurință condițiile triple de puncte într-un laborator.

Valorile sale sunt de 278, 5 K și de 4, 83 kPa, deci este, de asemenea, obișnuit să experimentăm această componentă la nivel începător.