Ponto Triplo: Características de Água, Ciclohexano e Benzeno - Ciência - 2023

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o ponto Triplo é um termo no campo da termodinâmica que se refere à temperatura e pressão em que três fases de uma substância existem simultaneamente em um estado de equilíbrio termodinâmico. Este ponto existe para todas as substâncias, embora as condições em que são alcançadas variem enormemente entre cada uma.

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

Características de 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 definido por definição e não 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 ela está eles exercem mudanças na temperatura, pressão e / ou solubilidade.

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

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

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

O estudo desse conceito também foi utilizado na exploração do planeta Marte, em que se tentou conhecer o nível do mar durante as missões realizadas na década de 1970.

Ponto triplo de água

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

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

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 pressão necessárias para atingir esse valor.

No caso da água, este ponto corresponde à pressão mínima em que a água líquida pode existir. Em pressões abaixo deste ponto triplo (por exemplo, no vácuo) e quando o aquecimento de pressão constante é usado, o gelo sólido se converterá diretamente em vapor d'água sem passar pelo líquido; Este é um processo denominado sublimação.

Além desta pressão mínima (P_tp), o gelo primeiro derreterá para formar água líquida e só então evaporará ou ferverá para formar vapor.

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

Nas fases de alta pressão, a água tem um diagrama de fase bastante complexo, que mostra quinze fases de gelo conhecidas (em diferentes temperaturas e pressões), além de dez pontos triplos diferentes que são exibidos 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. Em baixas temperaturas constantes e pressão crescente, o vapor pode se transformar 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 zona 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 por causa do experimentador.

Ponto triplo de ciclohexano

O ciclohexano é um cicloalcano que possui a fórmula molecular C₆H₁₂. Essa substância tem a particularidade de possuir condições de ponto triplo que podem ser facilmente reproduzidas, como no caso da água, uma vez que este ponto está localizado à temperatura de 279,47 K e pressão de 5,388 kPa.

Sob essas condições, o composto foi observado fervendo, solidificando e derretendo com mudanças mínimas de temperatura e pressão.

Ponto triplo de benzeno

Em um caso semelhante ao ciclohexano, benzeno (um composto orgânico com a fórmula química C₆H₆) tem condições de ponto triplo que são facilmente reproduzíveis em um laboratório.

Seus valores são 278,5 K e 4,83 kPa, então a experimentação com este componente no nível iniciante também é comum.

Referências

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Britannica, E. (1998). Encyclopedia Britannica. Obtido em britannica.com
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Penoncello, S. G., Jacobsen, R. T., & Goodwin, A. R. (1995). Uma Formulação de Propriedade Termodinâmica para Ciclohexano.