En termodinámica , el punto triple de una sustancia es la temperatura y presión a la que coexisten en equilibrio termodinámico las tres fases ( gas , líquido y sólido ) de esa sustancia . [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 implicar 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 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 punto triple del agua se utilizó para definir el kelvin , la unidad base de temperatura termodinámica en el Sistema Internacional de Unidades (SI). [2] El valor del punto triple del agua se fijó por definición, más que por medición, pero eso cambió con la redefinición de las unidades básicas del SI en 2019 . Los puntos triples de varias sustancias se utilizan para definir puntos en la escala internacional de temperatura 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). .
El término "punto triple" fue acuñado en 1873 por James Thomson , hermano de Lord Kelvin . [3]
Tras la redefinición de las unidades básicas del SI en 2019, el valor del punto triple del agua ya no se utiliza como punto definitorio. Sin embargo, su valor empírico sigue siendo importante: la combinación única de presión y temperatura en 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 sólo puede existir a presiones iguales o superiores al punto triple. Debajo de esto, en el vacío del espacio exterior , el hielo sólido se sublima y pasa directamente a vapor de agua cuando se calienta a una presión constante. Por el contrario, por encima del punto triple, el hielo sólido primero se funde hasta convertirse en agua líquida al calentarlo a presión constante, 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 donde puede existir el líquido. En el caso del agua, este no es el caso. El punto de fusión del hielo ordinario disminuye con la presión, como lo muestra la línea verde discontinua del diagrama de fases . Justo 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 el punto triple de presión del agua para definir el "nivel del mar". Ahora se prefiere la altimetría láser y las mediciones gravitacionales para definir la elevación marciana. [7]
A altas presiones, el agua tiene un diagrama de fases complejo con 15 fases conocidas del 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 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 a alta presión. En el rango251-273 K , primero se forma hielo I, seguido de agua líquida y luego hielo III o hielo V, seguido de otras formas de alta presión aún más densas.
Las celdas de triple punto se utilizan en la calibración de termómetros . Para trabajos exigentes, las celdas de punto triple normalmente se llenan con una sustancia química de alta pureza como hidrógeno, argón, mercurio o agua (dependiendo de la temperatura deseada). La pureza de estas sustancias puede ser tal que sólo una parte en un millón es un contaminante, llamado "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 efectivas para lograr temperaturas reproducibles y de alta precisión, 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.
Esta tabla enumera los puntos triples gas-líquido-sólido de varias sustancias. A menos 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:
Medios relacionados con el punto triple en Wikimedia Commons