Ponto Triplo: Características da Água, Ciclohexano e Benzeno

O ponto triplo é um termo no campo da termodinâmica que se refere à temperatura e pressão em que há simultaneamente três fases de uma substância em um estado de equilíbrio termodinâmico. Este ponto existe para todas as substâncias, embora as condições nas quais elas são obtidas variem enormemente entre cada uma delas.

Um ponto triplo também pode envolver mais de uma fase do mesmo tipo para uma substância específica; isto é, que duas fases diferentes de sólido, fluido ou gás são observadas. O hélio, em particular o seu isótopo de hélio-4, é um bom exemplo de um ponto triplo envolvendo duas fases fluidas individuais: fluido normal e superfluido.

Características do ponto triplo

O ponto triplo da água é usado para definir o Kelvin, a unidade básica da temperatura termodinâmica no sistema internacional de unidades (SI). Este valor é fixado por definição em vez de medido.

Os pontos triplos de cada substância podem ser observados com o uso de diagramas de fase, que são gráficos plotados que permitem demonstrar as condições limitantes das fases sólida, líquida, gasosa (e outras, em casos especiais) de uma substância, enquanto eles exercem mudanças de temperatura, pressão e / ou solubilidade.

Uma substância pode ser encontrada no seu ponto de fusão em que o sólido encontra o líquido; Também pode ser encontrado em seu ponto de ebulição, onde o líquido encontra o gás. No entanto, é no ponto triplo onde todas as três fases são alcançadas. Esses diagramas serão diferentes para cada substância, como será visto mais adiante.

O ponto triplo pode ser usado efetivamente na calibração de termômetros, fazendo uso de células de ponto triplo.

Estas são amostras de substâncias sob condições isoladas (dentro de "células" de vidro) que estão em seu ponto triplo com condições conhecidas de temperatura e pressão, e assim facilitam o estudo da precisão das medições do termômetro.

O estudo deste conceito também tem sido utilizado na exploração do planeta Marte, no qual se tentou conhecer o nível do mar durante as missões que foram realizadas na década de 1970.

Ponto triplo da água

As condições precisas de pressão e temperatura em que a água coexiste em suas três fases em equilíbrio - água líquida, gelo e vapor - ocorrem a uma temperatura de exatamente 273, 16 K (0, 01 ° C) e uma pressão de vapor parcial de 611 656 pascals (0, 00603659 atm).

Neste ponto, é possível converter a substância em qualquer uma das três fases com mudanças mínimas em sua temperatura ou pressão. Mesmo que a pressão total do sistema possa estar localizada acima do necessário para o ponto triplo, se a pressão parcial do vapor estiver em 611.656 Pa, o sistema atingirá o ponto triplo igualmente.

É possível observar na figura anterior a representação do ponto triplo (ou ponto triplo, em inglês) de uma substância cujo diagrama é semelhante ao da água, de acordo com a temperatura e a pressão necessárias para atingir esse valor.

No caso da água, este ponto corresponde à pressão mínima na qual a água líquida pode existir. A pressões inferiores a este ponto triplo (por exemplo, no vácuo) e quando se utiliza um aquecimento por pressão constante, o gelo sólido converte-se diretamente em vapor de água sem passar pelo líquido; Este é um processo chamado sublimação.

Além dessa pressão mínima (P _tp ), o gelo vai primeiro derreter para formar água líquida, e só então ele vai evaporar ou ferver para formar vapor.

Para muitas substâncias, o valor da temperatura em seu ponto triplo é a temperatura mínima na qual a fase líquida pode existir, mas isso não ocorre no caso da água. Para a água isso não acontece, já que o ponto de fusão do gelo diminui dependendo da pressão, como mostrado pela linha pontilhada verde da figura anterior.

Nas fases de alta pressão a água possui um diagrama de fases bastante complexo, no qual são mostradas quinze fases de gelo conhecidas (a diferentes temperaturas e pressões), além de dez diferentes pontos triplos que são visualizados na figura a seguir:

Pode-se notar que, sob condições de alta pressão, o gelo pode existir em equilíbrio com o líquido; O diagrama mostra que os pontos de fusão aumentam com a pressão. A baixas temperaturas constantes e aumentando a pressão, o vapor pode ser convertido diretamente em gelo, sem passar pela fase líquida.

As diferentes condições que ocorrem nos planetas onde o ponto triplo foi estudado (Terra ao nível do mar e na área equatorial de Marte) também estão representadas neste diagrama.

O diagrama deixa claro que o ponto triplo varia dependendo da localização por razões de pressão atmosférica e temperatura, e não apenas pela intervenção do experimentador.

Ponto triplo de ciclohexano

O ciclohexano é um cicloalcano que tem a fórmula molecular de C ₆ H ₁₂ . Esta substância tem a particularidade de possuir condições de ponto triplo que podem ser facilmente reproduzidas, como no caso da água, já que este ponto está localizado a uma temperatura de 279, 47 K e uma pressão de 5.388 kPa.

Nestas condições, observou-se que o composto ferve, solidifica e funde com alterações mínimas de temperatura e pressão.

Ponto triplo benzeno

Em um caso semelhante ao ciclohexano, o benzeno (composto orgânico com a fórmula química C ₆ H ₆ ) reproduziu facilmente condições de ponto triplo em um laboratório.

Seus valores são 278, 5 K e 4, 83 kPa, por isso também é comum experimentar com este componente no nível iniciante.