En termodinámica , el punto triple de una sustancia es la temperatura y la presión a la que las tres fases ( gas , líquido y sólido ) de esa sustancia coexisten en equilibrio termodinámico . [1] Es esa temperatura y presión a la que 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 en el sentido de que no tiene una 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 vapor-líquido - superfluido , un punto sólido-líquido-superfluido, un punto sólido-sólido-líquido y un punto sólido-sólido-superfluido. Ninguno de estos debe confundirse con el punto Lambda , que no es ningún tipo de punto triple.
El término "punto triple" fue acuñado en 1873 por James Thomson , hermano de Lord Kelvin . [2] Los puntos triples de varias sustancias se utilizan para definir puntos en la escala de temperatura internacional ITS-90 , que van 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 definió de modo que el punto triple del agua sea 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 sea exactamente1.380 649 × 10 −23 J⋅K −1 , y el punto triple del agua se convirtió en una constante medida experimentalmente.
Tras la revisión del SI de 2019, el valor del punto triple del agua ya no se utiliza como punto de definición. Sin embargo, su valor empírico sigue siendo importante: la combinación única de presión y temperatura a la que el agua líquida , el hielo sólido y el vapor de agua coexisten 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 valor, en el vacío del espacio exterior , el hielo sólido se sublima y se transforma directamente en vapor de agua cuando se calienta a una presión constante. Por el contrario, por encima del punto triple, el hielo sólido primero se derrite y se convierte en agua líquida al calentarse a una presión 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 líquido. En el caso del agua, no es así. El punto de fusión del hielo común disminuye con la presión, como lo muestra la línea verde discontinua del diagrama de fases . Justo por debajo del punto triple, la compresión a una 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]
A altas presiones, el agua presenta un diagrama de fases complejo con 15 fases conocidas de hielo y varios puntos triples, incluidos 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 para la coexistencia de hielo Ih (hielo ordinario), hielo III y 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).
En el caso de las 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 rango251–273 K , primero se forma el hielo I, seguido del agua líquida y luego el hielo III o hielo V, seguido por otras formas de alta presión aún más densas.
Las celdas de punto triple se utilizan en la calibración de termómetros . Para trabajos exigentes, las celdas de punto triple se llenan típicamente con una sustancia química altamente pura como hidrógeno, argón, mercurio o agua (dependiendo de la temperatura deseada). La pureza de estas sustancias puede ser tal que solo una parte en un millón es un contaminante, llamado "seis nueves" porque es 99,9999% puro. Se utiliza una composición isotópica específica (para agua, VSMOW ) porque las variaciones en la composición isotópica causan pequeños cambios en el punto triple. Las celdas de punto triple son tan efectivas para lograr temperaturas altamente precisas y reproducibles, que un estándar de calibración internacional para termómetros llamado ITS-90 se basa en celdas de punto triple de hidrógeno , neón , oxígeno , argón , mercurio y agua para delinear seis de sus puntos de temperatura definidos.
En esta tabla se enumeran los puntos triples gas-líquido-sólido de varias sustancias. A menos que se indique lo contrario, los datos proceden de la Oficina Nacional de Normas de Estados Unidos (actualmente NIST , Instituto Nacional de Normas y Tecnología). [9]
Notas:
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