Triple Point: Caractéristiques de l'eau, du cyclohexane et du benzène

Le point triple est un terme dans le domaine de la thermodynamique qui fait référence à la température et à la pression dans lesquelles il y a simultanément trois phases d'une substance dans un état d'équilibre thermodynamique. Ce point existe pour toutes les substances, même si les conditions dans lesquelles elles sont obtenues varient énormément d'une substance à l'autre.

Un point triple peut également impliquer plus d'une phase du même type pour une substance spécifique; c'est-à-dire que deux phases différentes de solide, de fluide ou de gaz sont observées. L'hélium, en particulier son isotope d'hélium 4, est un bon exemple de triple point impliquant deux phases de fluide individuelles: un fluide normal et un fluide superfluide.

Caractéristiques du triple point

Le triple point de l’eau sert à définir le Kelvin, l’unité de base de la température thermodynamique dans le système international d’unités (SI). Cette valeur est fixée par définition au lieu de mesurée.

Les points triples de chaque substance peuvent être observés à l’aide de diagrammes de phases, qui sont des graphiques tracés qui permettent de démontrer les conditions limites des phases solide, liquide, gazeuse (et autres, dans des cas particuliers) d’une ils exercent des changements de température, de pression et / ou de solubilité.

Une substance peut être trouvée à son point de fusion où le solide rencontre le liquide; On peut également le trouver à son point d'ébullition où le liquide rencontre le gaz. Cependant, c’est au point triple où toutes les trois phases sont réalisées. Ces diagrammes seront différents pour chaque substance, comme nous le verrons plus tard.

Le point triple peut être utilisé efficacement dans l’étalonnage des thermomètres, en utilisant des cellules à point triple.

Ce sont des échantillons de substances dans des conditions isolées (à l'intérieur de "cellules" en verre) qui sont à leur point triple avec des conditions de température et de pression connues, facilitant ainsi l'étude de la précision des mesures effectuées au thermomètre.

L'étude de ce concept a également été utilisée dans l'exploration de la planète Mars, dans laquelle il a été tenté de connaître le niveau de la mer lors de missions effectuées dans les années 1970.

Triple point d'eau

Les conditions précises de pression et de température auxquelles l’eau coexiste dans ses trois phases en équilibre - eau liquide, glace et vapeur - se produisent à une température d’exactement 273, 16 K (0, 01 ° C) et à une pression de vapeur partielle de 611 656 pascals (0, 00603659 atm).

À ce stade, il est possible de convertir la substance en n’importe laquelle des trois phases avec un minimum de changements de température ou de pression. Même si la pression totale du système pourrait être située au-dessus de la valeur requise pour le point triple, si la pression partielle de la vapeur est de 611 656 Pa, le système atteindra également le point triple.

Il est possible d’observer sur la figure précédente la représentation du point triple (ou triple point, en anglais) d’une substance dont le diagramme est semblable à celui de l’eau, en fonction de la température et de la pression nécessaires pour atteindre cette valeur.

Dans le cas de l'eau, ce point correspond à la pression minimale à laquelle l'eau liquide peut exister. À des pressions inférieures à ce point triple (par exemple, dans le vide) et lorsqu'un chauffage à pression constante est utilisé, la glace solide se convertira directement en vapeur d'eau sans passer à travers le liquide; C'est un processus appelé sublimation.

Au-delà de cette pression minimale (P tp ), la glace fondra d'abord pour former de l'eau liquide, puis seulement s'évaporera ou bouillira pour former de la vapeur.

Pour de nombreuses substances, la température à son point triple est la température minimale à laquelle la phase liquide peut exister, mais cela ne se produit pas dans le cas de l'eau. Pour l'eau, cela ne se produit pas, car le point de fusion de la glace diminue en fonction de la pression, comme indiqué par la ligne pointillée verte de la figure précédente.

Dans les phases à haute pression, l’eau présente un diagramme de phase assez complexe, dans lequel figurent quinze phases de glace connues (à différentes températures et pressions), en plus de dix points triples différents qui sont visualisés dans la figure suivante:

On peut noter que, dans des conditions de haute pression, la glace peut exister en équilibre avec le liquide; Le diagramme montre que les points de fusion augmentent avec la pression. À des températures basses constantes et à une pression croissante, la vapeur peut être convertie directement en glace, sans passer par la phase liquide.

Les différentes conditions rencontrées dans les planètes où le point triple a été étudié (Terre au niveau de la mer et dans la région équatoriale de Mars) sont également représentées dans ce diagramme.

Le diagramme montre clairement que le point triple varie en fonction de l'emplacement pour des raisons de pression atmosphérique et de température, et pas seulement par l'intervention de l'expérimentateur.

Triple point de cyclohexane

Le cyclohexane est un cycloalcane dont la formule moléculaire est C 6 H 12 . Cette substance présente la particularité de présenter des conditions à trois points faciles à reproduire, comme dans le cas de l’eau, puisque ce point se situe à une température de 279, 47 K et à une pression de 5 388 kPa.

Dans ces conditions, il a été observé que le composé boutait, se solidifiait et fondait avec un minimum de changements de température et de pression.

Benzène triple point

Dans un cas similaire au cyclohexane, le benzène (composé organique de formule chimique C 6 H 6 ) a facilement reproduit les conditions du point triple en laboratoire.

Ses valeurs sont 278, 5 K et 4, 83 kPa. Il est donc courant d’expérimenter ce composant au niveau débutant.