Il punto triplo è un termine nel campo della termodinamica che si riferisce alla temperatura e alla pressione in cui esistono simultaneamente tre fasi di una sostanza in uno stato di equilibrio termodinamico. Questo punto esiste per tutte le sostanze, sebbene le condizioni in cui vengono raggiunte variano enormemente tra ciascuna di esse..
Un punto triplo può anche coinvolgere più di una fase dello stesso tipo per una sostanza specifica; cioè, si osservano due diverse fasi solide, fluide o gassose. L'elio, in particolare il suo isotopo elio-4, è un buon esempio di punto triplo che coinvolge due singole fasi fluide: fluido normale e superfluido..
Il punto triplo dell'acqua viene utilizzato per definire il kelvin, l'unità di base della temperatura termodinamica nel sistema internazionale di unità (SI). Questo valore è impostato per definizione piuttosto che misurato..
I punti tripli di ciascuna sostanza possono essere osservati con l'uso di diagrammi di fase, che sono grafici tracciati che consentono di dimostrare le condizioni limite delle fasi solida, liquida, gassosa (e altre, in casi speciali) di una sostanza mentre viene esercitata variazioni di temperatura, pressione e / o solubilità.
Una sostanza può essere trovata nel punto di fusione in cui il solido incontra il liquido; può anche essere trovato al suo punto di ebollizione dove il liquido incontra il gas. Tuttavia, è al punto triplo che le tre fasi vengono raggiunte. Questi diagrammi saranno diversi per ciascuna sostanza, come si vedrà in seguito.
Il punto triplo può essere utilizzato efficacemente nella calibrazione del termometro, utilizzando celle a punto triplo.
Si tratta di campioni di sostanze in condizioni isolate (all'interno di “celle” di vetro) che si trovano nel loro punto triplo con condizioni di temperatura e pressione note, e quindi facilitano lo studio della precisione delle misure del termometro..
Lo studio di questo concetto è stato utilizzato anche nell'esplorazione del pianeta Marte, in cui si è cercato di conoscere il livello del mare durante le missioni condotte negli anni '70..
Le condizioni precise di pressione e temperatura alle quali l'acqua coesiste nelle sue tre fasi in equilibrio - acqua liquida, ghiaccio e vapore - si verificano a una temperatura di esattamente 273,16 K (0,01 ºC) e una pressione parziale di vapore di 611,656 pascal (0,00603659 atm).
A questo punto la conversione della sostanza in una qualsiasi delle tre fasi è possibile con variazioni minime della sua temperatura o pressione. Anche se la pressione totale del sistema potrebbe essere superiore a quella richiesta per il punto triplo, se la pressione parziale del vapore è a 611.656 Pa, il sistema raggiungerà il punto triplo allo stesso modo..
È possibile osservare nella figura precedente la rappresentazione del punto triplo (o punto triplo, in inglese) di una sostanza il cui diagramma è simile a quello dell'acqua, in base alla temperatura e alla pressione necessarie per raggiungere questo valore.
Nel caso dell'acqua, questo punto corrisponde alla pressione minima alla quale può esistere l'acqua liquida. A pressioni inferiori a questo punto triplo (ad esempio, sotto vuoto) e quando viene utilizzato il riscaldamento a pressione costante, il ghiaccio solido si convertirà direttamente in vapore acqueo senza passare attraverso il liquido; questo è un processo chiamato sublimazione.
Oltre questa pressione minima (Ptp), il ghiaccio si scioglierà prima per formare acqua liquida e solo allora evaporerà o bollirà per formare vapore.
Per molte sostanze il valore di temperatura al suo punto triplo è la temperatura minima alla quale può esistere la fase liquida, ma questo non avviene nel caso dell'acqua. Per l'acqua ciò non avviene, poiché il punto di fusione del ghiaccio diminuisce in funzione della pressione, come mostra la linea tratteggiata verde nella figura precedente..
Nelle fasi ad alta pressione l'acqua ha un diagramma di fase abbastanza complesso, in cui sono mostrate quindici fasi di ghiaccio note (a diverse temperature e pressioni), oltre a dieci differenti punti tripli che vengono visualizzati nella figura seguente:
Si può notare che, in condizioni di alta pressione, il ghiaccio può esistere in equilibrio con il liquido; il diagramma mostra che i punti di fusione aumentano con la pressione. A basse temperature costanti e pressione crescente, il vapore può trasformarsi direttamente in ghiaccio, senza passare per la fase liquida..
In questo diagramma sono rappresentate anche le diverse condizioni che si verificano sui pianeti dove è stato studiato il punto triplo (Terra a livello del mare e nella zona equatoriale di Marte)..
Il diagramma chiarisce che il punto triplo varia a seconda della posizione per motivi di pressione atmosferica e temperatura, e non solo per l'intervento dello sperimentatore..
Il cicloesano è un cicloalcano che ha la formula molecolare di C.6H12. Questa sostanza ha la particolarità di avere condizioni di triplo punto facilmente riproducibili, come nel caso dell'acqua, poiché questo punto si trova ad una temperatura di 279,47 K e ad una pressione di 5,388 kPa.
In queste condizioni, il composto è stato osservato bollire, solidificare e fondere con variazioni minime di temperatura e pressione..
In un caso simile al cicloesano, il benzene (un composto organico con la formula chimica C6H6) ha condizioni di triplo punto facilmente riproducibili in laboratorio.
I suoi valori sono 278,5 K e 4,83 kPa, quindi è comune anche la sperimentazione con questo componente a livello principiante..
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