Der Tripelpunkt ist ein Begriff auf dem Gebiet der Thermodynamik, der sich auf die Temperatur und den Druck bezieht, bei denen drei Phasen einer Substanz gleichzeitig in einem Zustand des thermodynamischen Gleichgewichts existieren. Dieser Punkt besteht für alle Substanzen, obwohl die Bedingungen, unter denen sie erreicht werden, zwischen den einzelnen Substanzen sehr unterschiedlich sind.
Ein Tripelpunkt kann auch mehr als eine Phase des gleichen Typs für eine bestimmte Substanz umfassen. Das heißt, es werden zwei verschiedene feste, flüssige oder gasförmige Phasen beobachtet. Helium, insbesondere sein Isotop Helium-4, ist ein gutes Beispiel für einen Tripelpunkt, an dem zwei einzelne flüssige Phasen beteiligt sind: normale Flüssigkeit und Superfluid.
Dreipunktmerkmale
Der Tripelpunkt von Wasser wird verwendet, um das Kelvin zu definieren, die Basiseinheit der thermodynamischen Temperatur im internationalen Einheitensystem (SI). Dieser Wert wird per Definition festgelegt und nicht gemessen.
Die Tripelpunkte jeder Substanz können unter Verwendung von Phasendiagrammen beobachtet werden, bei denen es sich um grafische Darstellungen handelt, die es ermöglichen, die Grenzbedingungen der festen, flüssigen, gasförmigen Phasen (und in besonderen Fällen auch anderer) einer Substanz während ihres Aufenthalts zu demonstrieren Sie üben Änderungen in Temperatur, Druck und / oder Löslichkeit aus.
Eine Substanz befindet sich an ihrem Schmelzpunkt, an dem der Feststoff auf die Flüssigkeit trifft; Es kann auch an seinem Siedepunkt gefunden werden, an dem Flüssigkeit auf Gas trifft. Am dreifachen Punkt werden jedoch die drei Phasen erreicht. Diese Diagramme sind für jede Substanz unterschiedlich, wie später zu sehen sein wird.
Der Dreipunkt kann effektiv bei der Thermometerkalibrierung verwendet werden, wobei Dreipunktzellen verwendet werden.
Hierbei handelt es sich um Proben von Substanzen unter isolierten Bedingungen (innerhalb von Glaszellen), die sich unter bekannten Temperatur- und Druckbedingungen an ihrem Tripelpunkt befinden und somit die Untersuchung der Präzision von Thermometermessungen erleichtern.
Die Untersuchung dieses Konzepts wurde auch bei der Erforschung des Planeten Mars verwendet, bei dem versucht wurde, den Meeresspiegel während der in den 1970er Jahren durchgeführten Missionen zu ermitteln.
Dreifacher Punkt Wasser
Die genauen Druck- und Temperaturbedingungen, bei denen Wasser in seinen drei Gleichgewichtsphasen - flüssiges Wasser, Eis und Dampf - koexistiert, treten bei einer Temperatur von genau 273,16 K (0,01 ºC) und einem Dampfpartialdruck von auf 611,656 Pascal (0,00603659 atm).
Zu diesem Zeitpunkt ist die Umwandlung der Substanz in eine der drei Phasen mit minimalen Änderungen ihrer Temperatur oder ihres Drucks möglich. Obwohl der Gesamtdruck des Systems über dem für den Tripelpunkt erforderlichen Wert liegen könnte, erreicht das System den Tripelpunkt auf die gleiche Weise, wenn der Partialdruck des Dampfes bei 611,656 Pa liegt.
In der vorherigen Abbildung ist es möglich, die Darstellung des Tripelpunkts (oder Tripelpunkts auf Englisch) einer Substanz zu beobachten, deren Diagramm dem von Wasser ähnlich ist, je nach der Temperatur und dem Druck, die erforderlich sind, um diesen Wert zu erreichen.
Im Falle von Wasser entspricht dieser Punkt dem Mindestdruck, bei dem flüssiges Wasser existieren kann. Bei Drücken unterhalb dieses Tripelpunkts (z. B. im Vakuum) und bei Verwendung einer Erwärmung mit konstantem Druck wandelt sich festes Eis direkt in Wasserdampf um, ohne durch Flüssigkeit zu gelangen. Dies ist ein Prozess, der Sublimation genannt wird.
Jenseits dieses Mindestdrucks (P tp ) schmilzt das Eis zuerst unter Bildung von flüssigem Wasser, und nur dort verdampft es oder kocht unter Bildung von Dampf.
Für viele Substanzen ist der Temperaturwert an seinem Tripelpunkt die Mindesttemperatur, bei der die flüssige Phase existieren kann, bei Wasser jedoch nicht. Bei Wasser ist dies nicht der Fall, da der Schmelzpunkt von Eis in Abhängigkeit vom Druck abnimmt, wie durch die grün gepunktete Linie in der vorherigen Abbildung dargestellt.
In Hochdruckphasen hat Wasser ein ziemlich komplexes Phasendiagramm, in dem fünfzehn bekannte Eisphasen (bei unterschiedlichen Temperaturen und Drücken) sowie zehn verschiedene Tripelpunkte dargestellt sind, die in der folgenden Abbildung dargestellt sind:
Es kann festgestellt werden, dass unter Hochdruckbedingungen Eis im Gleichgewicht mit Flüssigkeit existieren kann; Das Diagramm zeigt, dass die Schmelzpunkte mit dem Druck ansteigen. Bei konstant niedrigen Temperaturen und steigendem Druck kann sich der Dampf direkt in Eis umwandeln, ohne die flüssige Phase zu durchlaufen.
Die verschiedenen Bedingungen auf den Planeten, auf denen der Tripelpunkt untersucht wurde (Erde auf Meereshöhe und in der Äquatorzone des Mars), sind ebenfalls in diesem Diagramm dargestellt.
Das Diagramm macht deutlich, dass der Tripelpunkt je nach Standort aus Gründen des Luftdrucks und der Temperatur variiert und nicht nur aufgrund des Experimentators.
Cyclohexan-Tripelpunkt
Cyclohexan ist ein Cycloalkan mit der Summenformel C 6 H 12 . Diese Substanz hat die Besonderheit, Dreipunktbedingungen zu haben, die wie im Fall von Wasser leicht reproduziert werden können, da dieser Punkt bei einer Temperatur von 279,47 K und einem Druck von 5,388 kPa liegt.
Unter diesen Bedingungen wurde beobachtet, dass die Verbindung mit minimalen Änderungen von Temperatur und Druck kocht, sich verfestigt und schmilzt.
Benzol-Tripelpunkt
In einem Cyclohexan ähnlichen Fall besitzt Benzol (eine organische Verbindung mit der chemischen Formel C 6 H 6 ) Tripelpunktbedingungen, die in einem Labor leicht reproduzierbar sind.
Seine Werte liegen bei 278,5 K und 4,83 kPa, daher ist auch das Experimentieren mit dieser Komponente auf Anfängerebene üblich.
Verweise
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- Britannica, E. (1998). Enzyklopädie Britannica. Von britannica.com abgerufen
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