Trojný bod je termín v oblasti termodynamiky, ktorá sa týka teploty a tlaku, v ktorom existujú tri fázy látky súčasne v stave termodynamickej rovnováhy. Tento bod platí pre všetky látky, aj keď podmienky, v ktorých sa dosahujú, sa medzi jednotlivými látkami veľmi líšia.
Trojitý bod môže pre konkrétnu látku zahŕňať aj viac ako jednu fázu toho istého typu; to znamená, že sú pozorované dve rôzne pevné, kvapalné alebo plynné fázy. Hélium, najmä jeho izotopové hélium-4, je dobrým príkladom trojitého bodu zahŕňajúceho dve jednotlivé tekuté fázy: normálnu tekutinu a superfluid.
Charakteristiky trojitého bodu
Trojitý bod vody sa používa na definovanie kelvínu, základnej jednotky termodynamickej teploty v medzinárodnom systéme jednotiek (SI). Táto hodnota je stanovená skôr definíciou ako meranou.
Trojité body každej látky je možné pozorovať pomocou fázových diagramov, ktoré sú vynesené do grafov, ktoré umožňujú demonštrovať limitné podmienky tuhej, kvapalnej, plynnej fázy (a iné, v osobitných prípadoch) látky, pokiaľ je vykazujú zmeny teploty, tlaku a / alebo rozpustnosti.
Látka sa nachádza v bode topenia, pri ktorom sa tuhá látka stretáva s kvapalinou; nachádza sa tiež v bode varu, keď kvapalina prichádza do styku s plynom. Tieto tri fázy sú však dosiahnuté v trojitom bode. Tieto diagramy sa budú líšiť pre každú látku, ako bude vidieť ďalej.
Trojitý bod sa môže efektívne použiť pri kalibrácii teplomera, pričom sa využívajú bunky trojitého bodu.
Sú to vzorky látok v izolovaných podmienkach (vo vnútri sklenených „buniek“), ktoré sú v ich trojnásobnom bode za známych podmienok teploty a tlaku, a tak uľahčujú štúdium presnosti meraní teplomerom.
Štúdium tohto konceptu sa použilo aj pri prieskume planéty Mars, pri ktorej sa počas misií v 70. rokoch minulého storočia uskutočnil pokus poznať hladinu mora.
Trojitý bod vody
Presné podmienky tlaku a teploty, pri ktorej voda koexistuje vo svojich troch rovnovážnych fázach - kvapalná voda, ľad a para - sa vyskytujú pri teplote presne 273,16 K (0,01 ° C) a parciálnom tlaku pary 611,656 pascalov (0,00603659 atm).
V tomto bode je možná konverzia látky na ktorúkoľvek z troch fáz s minimálnymi zmenami jej teploty alebo tlaku. Aj keď by celkový tlak v systéme mohol byť vyšší ako tlak požadovaný pre trojitý bod, ak je parciálny tlak pary 611,656 Pa, systém dosiahne trojitý bod rovnakým spôsobom.
Na predchádzajúcom obrázku je možné pozorovať znázornenie trojitého bodu (alebo trojitého bodu, v angličtine) látky, ktorej schéma je podobná ako voda, podľa teploty a tlaku potrebného na dosiahnutie tejto hodnoty.
V prípade vody tento bod zodpovedá minimálnemu tlaku, pri ktorom môže existovať kvapalná voda. Pri tlakoch nižších ako tento trojitý bod (napríklad vo vákuu) a pri použití zahrievania pri konštantnom tlaku sa pevný ľad premení priamo na vodnú paru bez prechodu kvapalinou; Toto je proces nazývaný sublimácia.
Nad týmto minimálnym tlakom (P tp ) sa ľad najskôr roztopí, aby vytvoril kvapalnú vodu, a iba tam sa vyparí alebo varí za vzniku pary.
Pre mnoho látok je hodnota teploty v jeho trojitom bode minimálna teplota, pri ktorej môže existovať kvapalná fáza, ale to sa nestane v prípade vody. V prípade vody sa tak nestane, pretože bod topenia ľadu klesá v závislosti od tlaku, ako ukazuje zelená bodkovaná čiara na predchádzajúcom obrázku.
Vo vysokotlakových fázach má voda pomerne zložitý fázový diagram, v ktorom je znázornených pätnásť známych ľadových fáz (pri rôznych teplotách a tlakoch), okrem desiatich rôznych trojitých bodov, ktoré sú zobrazené na nasledujúcom obrázku:
Je možné poznamenať, že za podmienok vysokého tlaku môže ľad existovať v rovnováhe s kvapalinou; diagram ukazuje, že teploty topenia sa zvyšujú s tlakom. Pri konštantne nízkych teplotách a zvyšujúcom sa tlaku sa para môže premeniť priamo na ľad bez toho, aby prešla kvapalnou fázou.
V tomto diagrame sú tiež znázornené rôzne podmienky, ktoré sa vyskytujú na planétach, na ktorých sa študoval trojitý bod (Zem na hladine mora av rovníkovej zóne Marsu).
Z diagramu je zrejmé, že trojitý bod sa líši v závislosti od umiestnenia z dôvodov atmosférického tlaku a teploty, a nielen z dôvodu zásahu experimentátora.
Trojitý cyklohexán
Cyklohexán sa Cykloalkány, ktorý má molekulárnu vzorec C 6 H 12 . Zvláštnosťou tejto látky je, že má podmienky trojitého bodu, ktoré sa dajú ľahko reprodukovať ako v prípade vody, pretože tento bod sa nachádza pri teplote 279,47 K a tlaku 5 388 kPa.
Za týchto podmienok sa pozorovalo varenie, stuhnutie a topenie zlúčeniny s minimálnymi zmenami teploty a tlaku.
Benzénový trojitý bod
V prípade, podobne ako cyklohexán, benzén (organické zlúčeniny s chemickým vzorcom C 6 H 6 ) má trojité podmienky bodov, ktoré sú ľahko reprodukovateľné v laboratóriu.
Jeho hodnoty sú 278,5 K a 4,83 kPa, takže experimentovanie s touto zložkou na začiatočnej úrovni je tiež bežné.
Referencie
- Wikipedia. (SF). Wikipedia. Zdroj: en.wikipedia.org
- Britannica, E. (1998). Encyklopédia Britannica. Zdroj: britannica.com
- Power, N. (sf). Jadrová energia. Zdroj: jadro-power.net
- Wagner, W., Saul, A., & Prub, A. (1992). Medzinárodné rovnice pre tlak pozdĺž topenia a pozdĺž sublimačnej krivky obyčajnej vody. Bochum.
- Penoncello, SG, Jacobsen, RT, a Goodwin, AR (1995). Formulácia termodynamických vlastností pre cyklohexán.