Triple Point: caratteristiche dell'acqua, del cicloesano e del benzene

Il punto triplo è un termine nel campo della termodinamica che si riferisce alla temperatura e alla pressione in cui ci sono contemporaneamente tre fasi di una sostanza in uno stato di equilibrio termodinamico. Questo punto esiste per tutte le sostanze, sebbene le condizioni in cui vengono ottenute variano enormemente tra ciascuna di esse.

Un punto triplo può anche coinvolgere più di una fase dello stesso tipo per una sostanza specifica; cioè, si osservano due diverse fasi di solido, fluido o gas. L'elio, in particolare il suo isotopo di elio-4, è un buon esempio di un punto triplo che coinvolge due fasi fluide individuali: fluido normale e superfluido.

Caratteristiche del punto triplo

Il triplo punto d'acqua viene utilizzato per definire il Kelvin, l'unità base della temperatura termodinamica nel sistema internazionale di unità (SI). Questo valore è fissato per definizione anziché misurato.

I punti tripli di ogni sostanza possono essere osservati con l'uso di diagrammi di fase, che sono grafici tracciati che consentono di dimostrare le condizioni limite delle fasi solide, liquide, gassose (e altre, in casi particolari) di una sostanza mentre essi esercitano variazioni di temperatura, pressione e / o solubilità.

Una sostanza può essere trovata al suo punto di fusione in cui il solido incontra il liquido; Può anche essere trovato al suo punto di ebollizione in cui il liquido incontra il gas. Tuttavia, è al punto triplo in cui vengono raggiunte tutte e tre le fasi. Questi diagrammi saranno diversi per ciascuna sostanza, come vedremo in seguito.

Il punto triplo può essere utilizzato efficacemente nella calibrazione dei termometri, facendo uso di celle a triplo punto.

Questi sono campioni di sostanze in condizioni isolate (all'interno di "cellule" di vetro) che si trovano al loro punto triplo con condizioni note di temperatura e pressione, e quindi facilitano lo studio dell'accuratezza delle misurazioni del termometro.

Lo studio di questo concetto è stato anche utilizzato nell'esplorazione del pianeta Marte, in cui si è cercato di conoscere il livello del mare durante le missioni che sono state effettuate nel decennio degli anni '70.

Triplo punto d'acqua

Le precise condizioni di pressione e temperatura alle quali l'acqua coesiste nelle sue tre fasi in equilibrio - acqua liquida, ghiaccio e vapore - si verificano ad una temperatura esattamente di 273.16 K (0, 01 ° C) e una pressione di vapore parziale di 611.656 pascal (0.00603659 atm).

A questo punto è possibile convertire la sostanza in una qualsiasi delle tre fasi con cambiamenti minimi nella sua temperatura o pressione. Anche se la pressione totale del sistema potrebbe essere posizionata al di sopra del necessario per il punto triplo, se la pressione parziale del vapore è pari a 611.656 Pa, il sistema raggiungerà il punto triplo in egual misura.

È possibile osservare nella figura precedente la rappresentazione del punto triplo (o triplo punto, in inglese) di una sostanza il cui diagramma è simile a quello dell'acqua, in base alla temperatura e alla pressione richieste per raggiungere questo valore.

Nel caso dell'acqua, questo punto corrisponde alla pressione minima alla quale può esistere acqua liquida. A pressioni inferiori a questo punto triplo (ad esempio nel vuoto) e quando si utilizza un riscaldamento a pressione costante, il ghiaccio solido si converte direttamente in vapore acqueo senza passare attraverso il liquido; Questo è un processo chiamato sublimazione.

Oltre questa pressione minima (P _tp ), il ghiaccio si scioglierà dapprima per formare acqua liquida, e solo allora evaporerà o farà bollire per formare vapore.

Per molte sostanze il valore di temperatura nel suo punto triplo è la temperatura minima alla quale può esistere la fase liquida, ma ciò non si verifica nel caso dell'acqua. Per l'acqua ciò non accade, poiché il punto di fusione del ghiaccio diminuisce a seconda della pressione, come mostrato dalla linea tratteggiata verde della figura precedente.

Nelle fasi ad alta pressione l'acqua ha un diagramma di fase abbastanza complesso, in cui vengono mostrate quindici fasi del ghiaccio note (a diverse temperature e pressioni), oltre a dieci diversi punti tripli che vengono visualizzati nella seguente figura:

Si può notare che, in condizioni di alta pressione, il ghiaccio può esistere in equilibrio con il liquido; Il diagramma mostra che i punti di fusione aumentano con la pressione. A temperature basse costanti e pressione crescente, il vapore può essere convertito direttamente in ghiaccio, senza passare attraverso la fase liquida.

Le diverse condizioni che si verificano nei pianeti in cui è stato studiato il punto triplo (Terra al livello del mare e nell'area equatoriale di Marte) sono anche rappresentate in questo diagramma.

Lo schema chiarisce che il punto triplo varia a seconda della posizione per ragioni di pressione atmosferica e temperatura, e non solo dall'intervento dello sperimentatore.

Triplo punto di cicloesano

Il cicloesano è un cicloalcano che ha la formula molecolare di C ₆ H ₁₂ . Questa sostanza ha la particolarità di avere condizioni di punto triplo che possono essere facilmente riprodotte, come nel caso dell'acqua, poiché questo punto si trova ad una temperatura di 279, 47 K e una pressione di 5, 388 kPa.

In queste condizioni il composto è stato osservato per bollire, solidificarsi e fondersi con cambiamenti minimi di temperatura e pressione.

Triplo punto benzene

In un caso simile al cicloesano, il benzene (composto organico con la formula chimica C ₆ H ₆ ) ha facilmente riprodotto le condizioni del punto triplo in un laboratorio.

I suoi valori sono 278, 5 K e 4, 83 kPa, quindi è anche comune sperimentare questo componente a livello di principiante.