Tripelpunkt: Eigenschaften von Wasser, Cyclohexan und Benzol
Der Tripelpunkt ist ein Begriff aus dem Bereich der Thermodynamik, der sich auf die Temperatur und den Druck bezieht, in denen sich gleichzeitig drei Phasen einer Substanz in einem thermodynamischen Gleichgewichtszustand befinden. Dieser Punkt existiert für alle Substanzen, obwohl die Bedingungen, unter denen sie erhalten werden, zwischen jeder enorm variieren.
Ein Tripelpunkt kann für einen bestimmten Stoff auch mehr als eine Phase desselben Typs umfassen. das heißt, dass zwei verschiedene Phasen von Feststoff, Flüssigkeit oder Gas beobachtet werden. Helium, insbesondere sein Helium-4-Isotop, ist ein gutes Beispiel für einen Tripelpunkt, an dem zwei einzelne Flüssigkeitsphasen beteiligt sind: normale und superflüssige Flüssigkeit.
Merkmale des Tripelpunktes
Der Tripelpunkt des Wassers wird verwendet, um den Kelvin zu definieren, die Basiseinheit der thermodynamischen Temperatur im internationalen Einheitensystem (SI). Dieser Wert wird per Definition festgelegt und nicht gemessen.
Die Tripelpunkte jedes Stoffes können mit Hilfe von Phasendiagrammen beobachtet werden. Diese Diagramme zeigen die Grenzbedingungen der festen, flüssigen und gasförmigen Phasen (und anderer, in besonderen Fällen) eines Stoffes Sie üben Änderungen der Temperatur, des Drucks und / oder der 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 die Flüssigkeit auf das Gas trifft. Es ist jedoch der dreifache Punkt, an dem alle drei Phasen erreicht werden. Diese Diagramme sind für jede Substanz unterschiedlich, wie später zu sehen sein wird.
Der Tripelpunkt kann effektiv bei der Kalibrierung von Thermometern unter Verwendung von Tripelpunktzellen verwendet werden.
Dies sind Proben von Substanzen unter isolierten Bedingungen (innerhalb von Glas- "Zellen"), die sich bei bekannten Temperatur- und Druckbedingungen an ihrem Tripelpunkt befinden und somit die Untersuchung der Genauigkeit von Thermometermessungen erleichtern.
Die Untersuchung dieses Konzepts wurde auch bei der Erforschung des Planeten Mars verwendet, bei der versucht wurde, den Meeresspiegel während Missionen zu bestimmen, die in den 1970er Jahren durchgeführt wurden.
Dreifacher Punkt Wasser
Die genauen Druck - und Temperaturbedingungen, bei denen Wasser in seinen drei Phasen im Gleichgewicht - flüssiges Wasser, Eis und Dampf - nebeneinander vorliegt, liegen bei einer Temperatur von genau 273, 16 K (0, 01 ° C) und einem Partialdampfdruck von 611.656 Pascal (0, 00603659 atm).
Zu diesem Zeitpunkt ist es möglich, die Substanz mit minimalen Änderungen ihrer Temperatur oder ihres Drucks in eine der drei Phasen umzuwandeln. Obwohl der Gesamtdruck des Systems über dem für den Tripelpunkt erforderlichen Wert liegen könnte, erreicht das System bei einem Dampfpartialdruck von 611.656 Pa den Tripelpunkt gleichermaßen.
In der vorherigen Abbildung ist es möglich, die Darstellung des Tripelpunkts (oder Tripelpunkts auf Englisch) eines Stoffes zu beobachten, dessen Diagramm dem von Wasser ähnlich ist, abhängig von 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 unter diesem Tripelpunkt (z. B. im Vakuum) und bei Verwendung einer Konstantdruckheizung wird das feste Eis direkt in Wasserdampf umgewandelt, ohne durch Flüssigkeit zu treten. Dies ist ein Prozess, der als Sublimation bezeichnet wird.
Jenseits dieses Mindestdrucks (P tp ) schmilzt das Eis zunächst zu flüssigem Wasser, und erst dann verdampft es oder siedet unter Bildung von Dampf.
Bei vielen Stoffen ist der Temperaturwert am Tripelpunkt die Mindesttemperatur, bei der die flüssige Phase existieren kann, bei Wasser tritt dies jedoch nicht auf. Bei Wasser ist dies nicht der Fall, da der Schmelzpunkt des Eises in Abhängigkeit vom Druck abnimmt, wie die grüne gepunktete Linie in der vorherigen Abbildung zeigt.
In Hochdruckphasen hat das Wasser ein recht komplexes Phasendiagramm, in dem neben zehn verschiedenen Tripelpunkten, die in der folgenden Abbildung dargestellt sind, fünfzehn bekannte Eisphasen (bei unterschiedlichen Temperaturen und Drücken) dargestellt sind:
Es ist anzumerken, dass unter Hochdruckbedingungen Eis im Gleichgewicht mit der Flüssigkeit existieren kann; Das Diagramm zeigt, dass die Schmelzpunkte mit dem Druck ansteigen. Bei konstant niedrigen Temperaturen und steigendem Druck kann der Dampf direkt in Eis umgewandelt werden, ohne die flüssige Phase zu durchlaufen.
Die verschiedenen Bedingungen, die auf den Planeten auftreten, auf denen der Tripelpunkt untersucht wurde (Erde auf Meereshöhe und im äquatorialen Bereich des Mars), sind ebenfalls in diesem Diagramm dargestellt.
Das Diagramm macht deutlich, dass der Tripelpunkt aus Gründen des Luftdrucks und der Temperatur und nicht nur durch die Intervention des Experimentators ortsabhängig variiert.
Dreifachpunkt Cyclohexan
Cyclohexan ist ein Cycloalkan mit der Summenformel C 6 H 12 . Diese Substanz hat die Besonderheit, dass sie Dreipunktbedingungen aufweist, die leicht reproduzierbar sind, wie im Fall von Wasser, 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 bei minimalen Änderungen der Temperatur und des Drucks siedet, sich verfestigt und schmilzt.
Benzol Tripelpunkt
In einem Cyclohexan ähnlichen Fall hat Benzol (organische Verbindung mit der chemischen Formel C 6 H 6 ) im Labor leicht Dreipunktbedingungen reproduziert.
Seine Werte liegen bei 278, 5 K und 4, 83 kPa, daher ist es auch üblich, mit dieser Komponente auf Anfängerniveau zu experimentieren.
