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Punto triple

Un diagrama de fases típico . La línea verde continua se aplica a la mayoría de las sustancias; la línea verde discontinua muestra el comportamiento anómalo del agua. En termodi...

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Un diagrama de fases típico . La línea verde continua se aplica a la mayoría de las sustancias; la línea verde discontinua muestra el comportamiento anómalo del agua.

En termodinámica , el punto triple de una sustancia es la temperatura y presión a la cual las tres fases ( gas , líquido y sólido ) de esa sustancia coexisten en equilibrio termodinámico . [ 1 ] Es la temperatura y presión a la cual se encuentran las curvas de sublimación , fusión y vaporización . Por ejemplo, el punto triple del mercurio se produce a una temperatura de −38,8 °C (−37,8 °F) y una presión de 0,165 m Pa .  

Además del punto triple para las fases sólida, líquida y gaseosa, un punto triple puede involucrar más de una fase sólida, para sustancias con múltiples polimorfos . El helio-4 es inusual porque no tiene curva de sublimación/deposición y, por lo tanto, no tiene puntos triples donde su fase sólida se encuentra con su fase gaseosa. En cambio, tiene un punto superfluido vapor-líquido , un punto superfluido sólido-líquido, un punto sólido-sólido-líquido y un punto superfluido sólido-sólido. Ninguno de estos debe confundirse con el punto lambda , que no es ningún tipo de punto triple.

La primera mención del término "punto triple" fue el 3 de agosto de 1871 por James Thomson , hermano de Lord Kelvin . [ 2 ] Los puntos triples de varias sustancias se utilizan para definir puntos en la escala internacional de temperatura ITS-90 , que va desde el punto triple del hidrógeno (13,8033  K) hasta el punto triple del agua (273,16  K, 0,01  °C o 32,018  °F).

Antes de 2019, el punto triple del agua se utilizaba para definir el kelvin , la unidad base de temperatura termodinámica en el Sistema Internacional de Unidades (SI). [ 3 ] El kelvin se definía de modo que el punto triple del agua fuera exactamente 273,16  K, pero eso cambió con la revisión de 2019 del SI , donde el kelvin se redefinió de modo que la constante de Boltzmann fuera exactamente1,380 649 × 10 −23  J⋅K −1 , y el punto triple del agua se convirtió en una constante medida experimentalmente.

Punto triple del agua

Punto triple gas-líquido-sólido

Hervir agua a 0 °C utilizando una bomba de vacío.

Tras la revisión del SI de 2019, el valor del punto triple del agua ya no se utiliza como punto de referencia. Sin embargo, su valor empírico sigue siendo importante: la combinación única de presión y temperatura a la que coexisten agua líquida , hielo sólido y vapor de agua en un equilibrio estable es aproximadamente273,16 ± 0,0001  K [ 4 ] y una presión de vapor de 611,657 pascales (6,11657 mbar; 0,00603659 atm) . [ 5 ] [ 6 ]  

El agua líquida solo puede existir a presiones iguales o superiores al punto triple. Por debajo de este, en el vacío del espacio exterior , el hielo sólido se sublima , transformándose directamente en vapor de agua al calentarse a presión constante. Por el contrario, a presiones superiores al punto triple, el hielo sólido, al calentarse, primero se funde en agua líquida a temperatura constante y luego se evapora o hierve para formar vapor a una temperatura más alta.

Para la mayoría de las sustancias, el punto triple gas-líquido-sólido es la temperatura mínima a la que puede existir el estado líquido. Sin embargo, esto no se cumple para el agua. El punto de fusión del hielo común disminuye con la presión, como se muestra en la línea verde discontinua del diagrama de fases . Justo por debajo del punto triple, la compresión a temperatura constante transforma el vapor de agua primero en sólido y luego en líquido.

Históricamente, durante la misión Mariner 9 a Marte , se utilizó la presión del punto triple del agua para definir el "nivel del mar". Ahora, se prefieren la altimetría láser y las mediciones gravitacionales para definir la elevación marciana. [ 7 ]

Fases de alta presión

A altas presiones, el agua presenta un diagrama de fases complejo con 15 fases de hielo conocidas y varios puntos triples, incluyendo 10 cuyas coordenadas se muestran en el diagrama. Por ejemplo, el punto triple a 251  K (−22  °C) y 210  MPa (2070  atm) corresponde a las condiciones de coexistencia del hielo Ih (hielo ordinario), el hielo III y el agua líquida, todos en equilibrio. También existen puntos triples para la coexistencia de tres fases sólidas, por ejemplo, hielo II , hielo V y hielo VI a 218  K (−55  °C) y 620  MPa (6120  atm).

Para aquellas formas de hielo de alta presión que pueden existir en equilibrio con el líquido, el diagrama muestra que los puntos de fusión aumentan con la presión. A temperaturas superiores a 273  K (0  °C), el aumento de la presión sobre el vapor de agua da como resultado primero agua líquida y luego una forma de hielo de alta presión. En el rangoEntre 251 y 273  K ,  primero se forma el hielo I, seguido del agua líquida y luego del hielo  III o el hielo  V, seguidos de otras formas de alta presión aún más densas.

Diagrama de fases del agua que incluye las formas de alta presión hielo  II, hielo  III, etc. El eje de presión es logarítmico. Para obtener descripciones detalladas de estas fases, consulte Hielo .

Células de punto triple

Las celdas de punto triple se utilizan en la calibración de termómetros . Para trabajos de precisión, estas celdas suelen llenarse con una sustancia química de alta pureza, como hidrógeno, argón, mercurio o agua (según la temperatura deseada). La pureza de estas sustancias puede ser tal que solo una parte en un millón sea un contaminante, lo que se denomina "seis nueves" porque tiene una pureza del 99,9999%. Se utiliza una composición isotópica específica (para el agua, VSMOW ) porque las variaciones en la composición isotópica provocan pequeños cambios en el punto triple. Las celdas de punto triple son tan eficaces para lograr temperaturas altamente precisas y reproducibles que el estándar internacional de calibración para termómetros ITS-90 se basa en celdas de punto triple de hidrógeno , neón , oxígeno , argón , mercurio y agua para delimitar seis de sus puntos de temperatura definidos.

Tabla de puntos triples

Esta tabla enumera los puntos triples gas-líquido-sólido de varias sustancias. Salvo que se indique lo contrario, los datos provienen de la Oficina Nacional de Estándares de EE. UU. (ahora NIST , Instituto Nacional de Estándares y Tecnología). [ 9 ]

Notas:

  • A modo de comparación, la presión atmosférica típica es de 101,325 kPa (1 atm).
  • Antes de la nueva definición de las unidades del SI, el punto triple del agua, 273,16 K, era un número exacto.

Véase también

Referencias

  1. ↑ IUPAC , Compendio de Terminología Química , 5.ª ed. (el "Libro de Oro") (2025). Versión en línea: (1994) " Punto triple ". doi : 10.1351/goldbook.T06502 .
  2. ↑ James Thomson (1871) «Especulaciones sobre la continuidad del estado fluido de la materia y sobre las relaciones entre los estados gaseoso, líquido y sólido». , Reunión de la Asociación Británica en Edimburgo . Nature 4 , 288–298 (1871). De la sección A en la página 291: «Este punto de presión y temperatura lo denomina punto triple; y muestra cómo este punto pertenece a las tres curvas importantes, al ser su intersección».
  3. ↑ Definición del kelvin en BIPM.
  4. 1 2 "Folleto del SI: El Sistema Internacional de Unidades (SI) – 9.ª edición" . BIPM . Consultado el 21 de febrero de 2022 .
  5. 1 2 Ecuaciones internacionales para la presión a lo largo de la curva de fusión y a lo largo de la curva de sublimación del agua ordinaria . W. Wagner, A. Saul y A. Pruss (1994), J. Phys. Chem. Ref. Data, 23 , 515.
  6. 1 2 Murphy, DM (2005). "Revisión de las presiones de vapor del hielo y del agua subenfriada para aplicaciones atmosféricas" . Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society . 131 (608): 1539– 1565. Bibcode : 2005QJRMS.131.1539M . doi : 10.1256/qj.04.94 . S2CID 122365938 . 
  7. ↑ Carr, Michael H. (2007). La superficie de Marte . Cambridge University Press. pág . 5. ISBN  978-0-521-87201-0.
  8. ↑ Murphy, DM (2005). "Revisión de las presiones de vapor del hielo y del agua subenfriada para aplicaciones atmosféricas" . Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society . 131 (608): 1539– 1565. Bibcode : 2005QJRMS.131.1539M . doi : 10.1256/qj.04.94 . S2CID 122365938 . 
  9. ↑ Cengel, Yunus A.; Turner, Robert H. (2004). Fundamentos de las ciencias termofluidas . Boston: McGraw-Hill. pág. 78. ISBN  0-07-297675-6.
  10. ↑ Ver Butano (página de datos)
  11. ↑ Ver cloroformo (página de datos)
  12. ↑ "Triclorometano" . NIST Chemistry WebBook, SRD 69. NIST (Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología) . Consultado el 11 de mayo de 2024 .
  13. ↑ Ver Etanol (página de datos)
  14. ↑ Ver ácido fórmico (página de datos)
  15. ↑ Donnelly, Russell J.; Barenghi, Carlo F. (1998). "Las propiedades observadas del helio líquido a la presión de vapor saturado". Journal of Physical and Chemical Reference Data . 27 (6): 1217– 1274. Bibcode : 1998JPCRD..27.1217D . doi : 10.1063/1.556028 .
  16. 1 2 3 Hoffer, JK; Gardner, WR; Waterfield, CG; Phillips, NE (abril de 1976). "Propiedades termodinámicas del 4He . II. La fase bcc y los diagramas de fase PT y VT por debajo de 2 K". Journal of Low Temperature Physics . 23 (1): 63– 102. Bibcode : 1976JLTP...23...63H . doi : 10.1007/BF00117245 . S2CID 120473493 . 
  17. ↑ Ver Hexafluoroetano (página de datos)
  18. ↑ "Protio | isótopo | Britannica" . 27 de enero de 2024.
  19. ↑ Walas, SM (1990). Equipos para procesos químicos: selección y diseño . Ámsterdam: Elsevier. pág. 639. ISBN  0-7506-7510-1.
  20. ↑ Ver isobutano (página de datos)
  21. ↑ "Enciclopedia de gases silano" . Enciclopedia de gases . Air Liquide.
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