Ponto triplo

ponto triplo
Diagrama de fase genérico. O encontro de três curvas de coexistência entre fases corresponde a um ponto triplo.
Fenômeno	phase boundary, estado, phenomenon
Composição	temperatura, pressão
Composição2	temperatura, pressão
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Termodinâmica
A máquina térmica de Carnot clássica
Ramos Clássica Estatística Química Termodinâmica quântica Equilíbrio / Não-equilíbrio
Leis Zero Primeira Segunda Terceira
Sistemas Sistema fechado Sistema aberto Sistema isolado Estado Equação de estado Gás ideal Gás real Estado da matéria Fase (matéria) Equilíbrio Volume de controle Instrumentos Processos Isobárico Isocórico Isotérmico Adiabático Isentrópico Isentálpico Quase-estático Politrópico Expansão livre Reversibilidade Irreversibilidade Endorreversibilidade Ciclos Máquinas térmicas Bombas de calor Ciclo de Lorenz Eficiência térmica
Propriedades dos sistemas Nota: Variáveis ​​conjugadas em itálico Diagramas de propriedades Propriedades extensivas e intensivas Funções de processos Trabalho Calor Funções de estado Temperatura / Entropia (introdução) Pressão / Volume Potencial químico / Número de partículas Qualidade do vapor Propriedades reduzidas
Propriedades dos materiais Bases de dados de propriedades Capacidade térmica específica  ${\displaystyle c=}$ ${\displaystyle T}$ ${\displaystyle \partial S}$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle \partial T}$ Compressibilidade  ${\displaystyle \beta =-}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle \partial V}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle \partial p}$ Dilatação térmica  ${\displaystyle \alpha =}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle \partial V}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle \partial T}$
Equações Teorema de Carnot Teorema de Clausius Relação fundamental Lei dos gases ideais Relações de Maxwell Relações recíprocas de Onsager Equações de Bridgman Tabela de equações termodinâmicas
Potenciais Energia livre Entropia livre Energia interna ${\displaystyle U(S,V)}$ Entalpia ${\displaystyle H(S,p)=U+pV}$ Energia livre de Helmholtz ${\displaystyle A(T,V)=U-TS}$ Energia livre de Gibbs ${\displaystyle G(T,p)=H-TS}$
História Cultura História Geral Entropia Leis dos gases Máquinas de "movimento perpétuo" Filosofia Entropia e tempo Entropia e vida Catraca browniana Demônio de Maxwell Paradoxo da morte pelo calor Paradoxo de Loschmidt Sinergética Teorias Teoria calórica Vis viva ("força viva") Equivalente mecânico do calor Força motriz Publicações chave Uma investigação sobre a fonte ... atrito Sobre o equilíbrio de substâncias heterogêneas Reflexões sobre a força motriz do fogo Linhas do tempo Termodinâmica Motores térmicos Arte Educação Superfície termodinâmica de Maxwell Entropia como dispersão de energia
Cientistas Bernoulli Boltzmann Bridgman Callen Carathéodory Carnot Clapeyron Clausius de Donder Duhem Gibbs von Helmholtz Joule Kelvin Lewis Massieu Maxwell von Mayer Nernst Onsager Planck Rankine Smeaton Stahl Tait Thompson van der Waals Waterston
Outros Nucleação Automontagem Auto-organização Ordem e desordem
Categoria
v d e

Em termodinâmica, um ponto triplo de uma substância é uma combinação de temperatura e pressão na qual três fases distintas coexistem em equilíbrio termodinâmico. No caso mais familiar, as três fases são sólida, líquida e gasosa, e o ponto triplo corresponde ao encontro das curvas de sublimação, fusão e vaporização no diagrama de fase. O ponto triplo sólido-líquido-gás do mercúrio, por exemplo, fica a 234,3156 K, ou −38,8344 °C, e aproximadamente 0,165 mPa.

Um ponto triplo também pode envolver mais de uma fase sólida em substâncias que apresentam diferentes polimorfos. O hélio-4 não possui um ponto triplo sólido-líquido-gás, pois o hélio sólido só é estável sob pressões muito superiores à pressão de vapor de saturação. Seu diagrama de fase contém outros pontos triplos. O encontro da linha da transição entre He I e He II com a curva de pressão de vapor é um ponto triplo vapor-He I-He II a 2,1768 K e cerca de 5,0418 kPa. Em pressões maiores há pontos triplos que envolvem as estruturas sólidas hcp e bcc e as fases líquidas He I e He II.

O termo "triple point" aparece em um texto de James Thomson, irmão de Lorde Kelvin, publicado em 3 de agosto de 1871. Pontos triplos de algumas substâncias são usados como pontos fixos da Escala Internacional de Temperaturas de 1990, ITS-90. Entre eles estão os pontos triplos do hidrogênio em equilíbrio, neônio, oxigênio, argônio, mercúrio e água.

Até 20 de maio de 2019, o kelvin, unidade básica de temperatura termodinâmica do Sistema Internacional de Unidades (SI), era definido como 1/273,16 da temperatura termodinâmica do ponto triplo da água. Com a redefinição do SI de 2019, o kelvin passou a ser definido pela fixação do valor da constante de Boltzmann em exatamente 1,380649 × 10⁻²³ J·K⁻¹. A temperatura do ponto triplo da água deixou, portanto, de ser um valor exato por definição.

Regra das fases

A regra das fases de Gibbs relaciona o número de graus de liberdade F de um sistema ao número de componentes C e de fases P em equilíbrio:

${\displaystyle F=C-P+2}$

Para uma substância pura, C = 1. Em um ponto triplo no qual coexistem três fases, P = 3 e, por isso, F = 0. Para um determinado conjunto de três fases em equilíbrio, temperatura e pressão ficam fixadas. A quantidade relativa de cada fase pode mudar enquanto as três permanecerem presentes, mas uma mudança independente da temperatura ou da pressão afasta o sistema daquele ponto triplo.

Ponto triplo da água

Ponto triplo gás-líquido-sólido

Ver também: Propriedades físico-químicas da água § Ponto triplo

Após a redefinição do SI de 2019, a temperatura do ponto triplo da água deixou de definir o kelvin. Seu valor termodinâmico é muito próximo de 273,16 K, ou 0,01 °C. A pressão de vapor correspondente é 611,657 Pa.

No diagrama de equilíbrio da água pura, a fase líquida estável não existe em pressões inferiores à pressão do ponto triplo. Nessas condições, o gelo aquecido a pressão constante passa diretamente para vapor por sublimação. Isso não impede a ocorrência de estados metaestáveis. A água super-resfriada, por exemplo, pode persistir em condições nas quais a fase líquida não é a fase termodinamicamente estável.

Para pressões acima da pressão do ponto triplo e abaixo da pressão crítica, na região em que o gelo I_h é a fase sólida estável, o aquecimento a pressão constante leva primeiro à fusão e, em temperatura mais alta, à vaporização. Para a maioria das substâncias, o ponto triplo sólido-líquido-gás corresponde à menor temperatura em que a fase líquida pode existir em equilíbrio. Na água, a inclinação negativa da curva de fusão do gelo I_h permite que o ponto de fusão diminua quando a pressão aumenta. Pouco abaixo do ponto triplo, uma compressão isotérmica pode levar o vapor primeiro à fase sólida e, com novo aumento da pressão, à fase líquida.

Depois da missão Mariner 9, mapas topográficos de Marte usaram como datum uma combinação do campo gravitacional marciano com uma superfície de pressão de 610 Pa, valor próximo da pressão do ponto triplo da água. Com os dados do Mars Orbiter Laser Altimeter, as elevações passaram a ser referidas ao areoide derivado do campo gravitacional, em conjunto com medições de altimetria a laser.

Fases de alta pressão

Em pressões elevadas, a água possui muitas fases sólidas. Mais de 20 fases cristalinas de gelo foram documentadas, além de formas amorfas. O diagrama de fase contém pontos triplos formados por uma fase líquida e duas fases sólidas e outros formados por três fases sólidas.

O ponto triplo entre água líquida, gelo I_h e gelo III fica próximo de 251,165 K e 208,566 MPa. O ponto água líquida-gelo III-gelo V fica próximo de 256,164 K e 350,1 MPa, enquanto o ponto água líquida-gelo V-gelo VI fica próximo de 273,31 K e 632,4 MPa.

Entre os pontos formados apenas por sólidos, o ponto gelo I_h-gelo II-gelo III fica próximo de 238,5 K e 213 MPa. O ponto gelo II-gelo III-gelo V foi medido em aproximadamente 248,85 K e 344 MPa. A coexistência gelo II-gelo V-gelo VI ainda não havia sido determinada experimentalmente no estudo termodinâmico de 2020, que estimou esse ponto em cerca de 209,1 K e 670,8 MPa.

As curvas de fusão das fases de alta pressão gelo III, gelo V, gelo VI e gelo VII apresentam inclinação positiva em suas respectivas regiões de estabilidade. Em temperaturas pouco acima de 273 K e abaixo da região crítica, a compressão isotérmica a partir do vapor atravessa a região de estabilidade da água líquida antes de alcançar uma fase de gelo de alta pressão.

Alguns pontos triplos da água

Fases em equilíbrio	Pressão	Temperatura
água líquida, gelo Ih e vapor de água	611,657 Pa	≈ 273,16 K (0,01 °C)
água líquida, gelo Ih e gelo III	208,566 MPa	251,165 K (−21,985 °C)
água líquida, gelo III e gelo V	350,1 MPa	256,164 K (−16,986 °C)
água líquida, gelo V e gelo VI	632,4 MPa	273,31 K (0,16 °C)
gelo Ih, gelo II e gelo III	213 MPa	238,5 K (−34,65 °C)
gelo II, gelo III e gelo V	344 MPa	248,85 K (−24,30 °C)
gelo II, gelo V e gelo VI	≈ 670,8 MPa	≈ 209,1 K (−64,05 °C)

O último valor da tabela é uma estimativa termodinâmica, não uma determinação experimental.

Células de ponto triplo

As células de ponto triplo são usadas na calibração de termômetros e na realização dos pontos fixos da ITS-90. Para medições de alta exatidão, empregam-se substâncias de alta pureza, pois impurezas podem deslocar a temperatura do ponto fixo e precisam ser consideradas no orçamento de incerteza.

Na realização do ponto triplo da água para a ITS-90, a temperatura é referida à composição isotópica da Vienna Standard Mean Ocean Water, VSMOW. Quando a composição isotópica da água de uma célula difere da composição de referência, aplica-se uma correção isotópica.

Uma célula de ponto triplo da água consiste em um recipiente selado com um poço reentrante no qual é colocado o termômetro. Para realizar o ponto fixo, forma-se um manto de gelo ao redor desse poço e mantém-se a coexistência de gelo, água líquida e vapor. Enquanto as três fases permanecem em equilíbrio, pequenas trocas de calor alteram principalmente as quantidades relativas das fases, produzindo um patamar de temperatura altamente reprodutível.

A ITS-90 emprega os pontos triplos do hidrogênio em equilíbrio, neônio, oxigênio, argônio, mercúrio e água entre seus pontos fixos. Células seladas destinadas aos pontos triplos criogênicos podem permanecer utilizáveis durante muitos anos e também podem ser transportadas como padrões de transferência.

Tabela de pontos triplos

A tabela reúne pontos triplos de algumas substâncias. Na maioria das linhas, as fases são sólida, líquida e gasosa. As linhas do hélio-4 incluem as fases líquidas He I e He II e, em três casos, estruturas sólidas do hélio. Salvo quando há uma referência específica na própria linha, os valores seguem a compilação de Çengel e Turner, baseada em dados do antigo National Bureau of Standards dos Estados Unidos, atual Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST).

Para comparação, a atmosfera padrão é definida como 101,325 kPa. Antes da redefinição do SI de 2019, 273,16 K era, por definição, o valor exato da temperatura do ponto triplo da água.

Ver também

• Ponto crítico (termodinâmica), condição que encerra a curva de coexistência entre líquido e vapor
• Regra das fases de Gibbs, relação entre componentes, fases e graus de liberdade em equilíbrio
• Diagrama de fase, gráfico de equilíbrio entre fases em função de variáveis como pressão e temperatura
• Transição de fase, mudança de uma substância entre fases distintas

Referências

Ligações externas

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