Ponto triplo

Em termodinâmica, o ponto triplo é um estado particular de uma substância determinado por valores de temperatura e pressão, no qual as três fases ou estados físicos da substância (sólido, líquido e gasoso) coexistem em equilíbrio.^[1]

O ponto triplo do dióxido de carbono (CO₂), por exemplo, ocorre na temperatura de 216,55 K e à pressão de 517 kPa. Já o ponto triplo do mercúrio ocorre à temperatura de −38,83440 °C e à pressão de 0,2 m Pa.

Além do ponto triplo entre sólido, líquido e gasoso, podem existir pontos triplos envolvendo mais de uma fase sólida, nas substâncias com polimorfismo. Em geral, para um sistema com p fases possíveis, existem $p={\tfrac {p!}{(p-3)!3!}}$ pontos triplos.^[1]

Note que a pressão aqui referida é a pressão de vapor da substância — não a pressão total do sistema.

O ponto triplo da água é dado por definição - não por uma medição exata. É usado para definir o kelvin, a unidade de temperatura termodinâmica no Sistema Internacional de Unidades.^[2]^[3] Os pontos triplos de várias substâncias são usados para definir pontos na Escala Internacional de Temperaturas de 1990 (ITS-90), que vai desde o ponto triplo do hidrogênio (13,8033 K) até o ponto triplo da água (273,16 K, 0,01 °C ou 32,018 °F)

Pontos triplos da água

Ponto triplo sólido-líquido-gás

A única combinação de pressão e temperatura na qual os três estados físicos da água (sólido (gelo), gasoso (vapor) e líquido) podem coexistir em equilíbrio estável ocorre exatamente quando a temperatura é de 273,16 kelvins (0,01 °C) e a pressão é de 611,73 pascals (cerca de 0,006 bar; 0,0060373 atm). Nesse ponto, é possível mudar toda a substância para gelo, água ou vapor fazendo pequenas mudanças na temperatura e pressão.

Diagrama de fases: a linha verde pontilhada indica o comportamento anômalo da água.

O ponto triplo sólido-líquido-gás corresponde à mínima pressão na qual a água líquida pode existir. Sob pressões abaixo do ponto triplo (como no espaço sideral), o gelo, quando aquecido a uma pressão constante, converte-se diretamente em vapor de água, num processo conhecido como sublimação. Acima do ponto triplo, o gelo, quando aquecido a uma pressão constante, primeiro derrete, formando água líquida, e depois evapora ou ferve, passando ao estado gasoso (vapor).

Para a maioria das substâncias, o ponto triplo também é a mínima temperatura na qual o líquido pode existir. Para a água, porém, isto não é verdade, por causa de seu comportamento anômalo^[4] que faz com que o ponto de fusão do gelo diminua com o aumento da pressão, conforme mostra a linha verde pontilhada, no diagrama de fases (ver figura). A uma temperatura um pouco abaixo do ponto triplo (entre 251–273 K), a compressão a temperatura constante transforma o vapor de água, primeiro, em gelo I e depois em água líquida (o gelo tem uma densidade menor do que a água líquida, de modo que um aumento de pressão leva à liquefação).

Durante a missão Mariner 9, da NASA, para Marte, a pressão do ponto triplo da água foi usada como ponto de referência para o "nível do mar". Missões mais recentes utilizam altimetria a laser e medições da gravidade, em vez da pressão, para definir elevações em Marte.^[5]

Outros pontos triplos da água em pressões mais altas

Em altas temperaturas, a água tem um diagrama de fases complexo com quinze fases conhecidas do gelo e um número de pontos triplos, incluíndo os dez cujas coordenadas são mostradas no diagrama. Por exemplo, o ponto triplo em 251 K (-22 °C) e 210 MPa (2070 atm) corresponde às condições de coexistência do gelo Ih (gelo comum), gelo III e água líquida, todos em equilíbrio. Mas podem existir também pontos em que três fases sólidas coexistam em equilíbrio, como a 218 K e 620 MPa.

Diagram de fases da água incluindo formas altas pressões do gelo. O eixo da pressão é logarítmico.

Células do ponto triplo

Células do ponto triplo são usadas na calibração de termômetros. Para medições exatas, células de ponto triplo são geralmente preenchidas com uma substância química com alta pureza, como o hidrogênio, argônio, mercúrio ou água, dependendo da temperatura desejada. A pureza destas substâncias pode ser tal que apenas uma parte em um milhão seja um contaminante, o que significa 99,9999% puro. As células de ponto triplo são tão eficientes no alcance de temperaturas precisas e reproduzíveis que um padrão internacional de calibração de termômetros chamado ITS-90 se baseia em células de hidrogênio, neon, oxigênio, argônio, mercúrio e água para determinar seus seis pontos definidos de temperatura.

Tabela de pontos triplos

Esta tabela lista o ponto triplo sólido-líquido-gasoso de substâncias comuns. A menos que diferentemente indicadas, as informações vieram da U.S. National Bureau of Standars (agora NIST (National Institute of Standards and Technology).^[6]

Substância	T [K]	p [kPa]*
Acetileno	192,4	120
Amoníaco	195,40	6,076
Argônio	83,81	68,9
Arsênio	1090	3628
Butano	134,6	7 × 10⁻⁴
Carbono (grafite)	4765	10132
Dióxido de carbono	216,55	517
Monóxido de carbono	68,10	15,37
Clorofórmio	175,43	0,870
Deuterio	18,63	17,1
Etano	89,89	8 × 10⁻⁴
Etanol	150	4,3 × 10⁻⁷
Etileno	104,0	0,12
Ácido fórmico	281,40	2,2
Hélio-4 (ponto lambda)	2,19	5,1
Hexafluoroetano	173,08	26,60
Hidrogênio	13,84	7,04
Cloreto de Hidrogênio	158,96	13,9
Iodo^[7]	386,65	12,07
Isobutano^[8]	113,55	1,9481 × 10⁻⁵
Mercúrio	234,2	1,65 × 10⁻⁷
Metano	90,68	11,7
Neon	24,57	43,2
Óxido nítrico	109,50	21,92
Nitrogênio	63,18	12,6
Óxido nitroso	182,34	87,85
Oxigênio	54,36	0,152
Paládio	1825	3,5 × 10⁻³
Platina	2045	2,0 × 10⁻⁴
Dióxido de enxofre	197,69	1,67
Titânio	1941	5,3 × 10⁻³
Hexafluoreto de urânio	337,17	151,7
Água	273,16	0,6117
Xenônio	161,3	81,5
Zinco	692,65	0,065

* Nota: Para fins de comparação, a pressão atmosférica típica é 101,325 kPa (1 atm).

Ver também

Ponto crítico

Referências

↑ ^a ^b IUPAC Gold Book.[1] Acessado em 07/08/2013.
↑ (em inglês) IUPAC Compendium of Chemical Terminology: kelvin.
↑ (em inglês) BIPM. Definition of the kelvin
↑ Anomalia da água. Por Domiciano Correa Marques da Silva. Mundo Educação.
↑ Carr, Michael H. (2007). The Surface of Mars. [S.l.]: Cambridge University Press. p. 5. ISBN 0-521-87201-4
↑ Cengel, Yunus A.; Turner, Robert H. (2004). Fundamentals of thermal-fluid sciences. Boston: McGraw-Hill. p. 78. ISBN 0-07-297675-6
↑ Walas, S. M. (1990). Chemical Process Equipment – Selection and Design. Amsterdam: Elsevier. p. 639. ISBN 0-7506-7510-1
↑ Veja en:Isobutane (data page)

Ligações externas

Definição do kelvinno BIPM.

[gold-1] IUPAC Gold Book.[1] Acessado em 07/08/2013.

[2] (em inglês) IUPAC Compendium of Chemical Terminology: kelvin.

[3] (em inglês) BIPM. Definition of the kelvin

[4] Anomalia da água. Por Domiciano Correa Marques da Silva. Mundo Educação.

[5] Carr, Michael H. (2007). The Surface of Mars. [S.l.]: Cambridge University Press. p. 5. ISBN 0-521-87201-4

[6] Cengel, Yunus A.; Turner, Robert H. (2004). Fundamentals of thermal-fluid sciences. Boston: McGraw-Hill. p. 78. ISBN 0-07-297675-6

[7] Walas, S. M. (1990). Chemical Process Equipment – Selection and Design. Amsterdam: Elsevier. p. 639. ISBN 0-7506-7510-1

[8] Veja en:Isobutane (data page)

[1]