Het tripelpunt is een term op het gebied van thermodynamica die verwijst naar de temperatuur en druk waarin drie fasen van een stof gelijktijdig bestaan in een toestand van thermodynamisch evenwicht. Dit punt bestaat voor alle stoffen, hoewel de omstandigheden waarin ze worden bereikt enorm verschillen tussen elke stof.
Een tripelpunt kan ook betrekking hebben op meer dan één fase van hetzelfde type voor een specifieke stof; dat wil zeggen, er worden twee verschillende vaste, vloeibare of gasfasen waargenomen. Helium, in het bijzonder het isotoop helium-4, is een goed voorbeeld van een tripelpunt met twee afzonderlijke vloeistoffasen: normale vloeistof en supervloeistof.
Triple point kenmerken
Het tripelpunt van water wordt gebruikt om de kelvin te definiëren, de basiseenheid van thermodynamische temperatuur in het internationale systeem van eenheden (SI). Deze waarde wordt per definitie bepaald in plaats van gemeten.
De tripelpunten van elke stof kunnen worden waargenomen met behulp van fasediagrammen, dit zijn grafieken die het mogelijk maken de randvoorwaarden van de vaste, vloeibare, gasvormige fasen (en andere, in speciale gevallen) van een stof aan te tonen terwijl deze ze oefenen veranderingen in temperatuur, druk en / of oplosbaarheid uit.
Een stof kan worden gevonden op het smeltpunt waarop de vaste stof de vloeistof ontmoet; het kan ook worden gevonden op het kookpunt waar vloeistof gas ontmoet. Het is echter op het tripelpunt dat de drie fasen worden bereikt. Deze diagrammen zullen voor elke stof anders zijn, zoals later zal worden gezien.
Tripelpunt kan effectief worden gebruikt bij thermometerkalibratie door gebruik te maken van tripelpuntcellen.
Dit zijn monsters van stoffen in geïsoleerde omstandigheden (in glazen "cellen") die zich op hun tripelpunt bevinden onder bekende temperatuur- en drukomstandigheden, en vergemakkelijken zo de studie van de nauwkeurigheid van thermometermetingen.
De studie van dit concept is ook gebruikt bij de verkenning van de planeet Mars, waarbij tijdens missies in de jaren zeventig werd geprobeerd het zeeniveau te kennen.
Tripelpunt van water
De precieze omstandigheden van druk en temperatuur waarbij water naast elkaar bestaat in zijn drie evenwichtsfasen - vloeibaar water, ijs en stoom - vindt plaats bij een temperatuur van precies 273,16 K (0,01 ºC) en een partiële dampdruk van 611.656 pascals (0,00603659 atm).
Op dit punt is de omzetting van de stof in een van de drie fasen mogelijk met minimale veranderingen in temperatuur of druk. Hoewel de totale druk van het systeem hoger kan zijn dan vereist voor het tripelpunt, als de partiële dampdruk 611,656 Pa is, zal het systeem het tripelpunt op dezelfde manier bereiken.
Het is mogelijk om in de vorige afbeelding de weergave te zien van het tripelpunt (of tripelpunt, in het Engels) van een stof waarvan het diagram vergelijkbaar is met dat van water, volgens de temperatuur en druk die nodig zijn om deze waarde te bereiken.
In het geval van water komt dit punt overeen met de minimale druk waarbij vloeibaar water kan bestaan. Bij drukken lager dan dit tripelpunt (bijvoorbeeld in een vacuüm) en wanneer verwarming onder constante druk wordt gebruikt, zal vast ijs direct in waterdamp worden omgezet zonder door vloeistof te gaan; Dit is een proces dat sublimatie wordt genoemd.
Boven deze minimumdruk (P tp ) zal het ijs eerst smelten om vloeibaar water te vormen, en pas daar zal het verdampen of koken om damp te vormen.
Voor veel stoffen is de temperatuurwaarde op het tripelpunt de minimumtemperatuur waarbij de vloeistoffase kan bestaan, maar dit gebeurt niet in het geval van water. Voor water gebeurt dit niet, aangezien het smeltpunt van ijs afneemt als functie van de druk, zoals aangegeven door de groene stippellijn in de vorige figuur.
In hogedrukfasen heeft water een vrij complex fasediagram, waarin vijftien bekende ijsfasen worden weergegeven (bij verschillende temperaturen en drukken), naast tien verschillende tripelpunten die in de volgende afbeelding worden gevisualiseerd:
Opgemerkt kan worden dat ijs onder hoge druk in evenwicht met vloeistof kan bestaan; het diagram laat zien dat smeltpunten toenemen met de druk. Bij constante lage temperaturen en toenemende druk kan de damp direct in ijs veranderen, zonder door de vloeistoffase te gaan.
De verschillende condities die voorkomen op planeten waar het tripelpunt is bestudeerd (aarde op zeeniveau en in de equatoriale zone van Mars) worden ook in dit diagram weergegeven.
Het diagram maakt duidelijk dat het tripelpunt varieert afhankelijk van de locatie vanwege atmosferische druk en temperatuur, en niet alleen vanwege de tussenkomst van de onderzoeker.
Cyclohexaan tripelpunt
Cyclohexaan is een cycloalkaan met de molecuulformule van C 6 H 12 . Deze stof heeft de bijzonderheid dat het tripelpuntcondities heeft die gemakkelijk kunnen worden gereproduceerd, zoals in het geval van water, aangezien dit punt zich bevindt bij een temperatuur van 279,47 K en een druk van 5,388 kPa.
Onder deze omstandigheden is waargenomen dat de verbinding kookt, stolt en smelt met minimale veranderingen in temperatuur en druk.
Benzeen tripelpunt
In een geval vergelijkbaar met cyclohexaan, heeft benzeen (een organische verbinding met de chemische formule C 6 H 6 ) tripelpuntvoorwaarden die gemakkelijk reproduceerbaar zijn in een laboratorium.
De waarden zijn 278,5 K en 4,83 kPa, dus experimenteren met dit onderdeel op beginnersniveau is ook gebruikelijk.
Referenties
- Wikipedia. (sf). Wikipedia. Opgehaald van en.wikipedia.org
- Britannica, E. (1998). Encyclopedia Britannica. Opgehaald van britannica.com
- Vermogen, N. (sf). Kernenergie. Opgehaald van nucleair-power.net
- Wagner, W., Saul, A., & Prub, A. (1992). Internationale vergelijkingen voor de druk langs het smelten en langs de sublimatiecurve van gewoon water. Bochum.
- Penoncello, SG, Jacobsen, RT, & Goodwin, AR (1995). Een thermodynamische eigenschappenformulering voor cyclohexaan.