POINT TRIPLE: CARACTÉRISTIQUES DE L'EAU, DU CYCLOHEXANE ET DU BENZÈNE - PHYSIQUE - 2025

Le point triple est un terme dans le domaine de la thermodynamique qui fait référence à la température et à la pression dans lesquelles trois phases d'une substance existent simultanément dans un état d'équilibre thermodynamique. Ce point existe pour toutes les substances, bien que les conditions dans lesquelles elles sont obtenues varient énormément entre chacune.

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

Caractéristiques du triple point

Le point triple de l'eau est utilisé pour définir le kelvin, l'unité de base de la température thermodynamique dans le système international d'unités (SI). Cette valeur est définie par définition plutôt que mesurée.

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

Une substance peut être trouvée à son point de fusion auquel le solide rencontre le liquide; il peut également être trouvé à son point d'ébullition où le liquide rencontre le gaz. Cependant, c'est au point triple que les trois phases sont réalisées. Ces diagrammes seront différents pour chaque substance, comme on le verra plus loin.

Le point triple peut être utilisé efficacement dans l'étalonnage du thermomètre, en utilisant des cellules à triple point.

Il s'agit d'échantillons de substances dans des conditions isolées (à l'intérieur de "cellules" de verre) qui sont à leur point triple dans des conditions de température et de pression connues, et facilitent ainsi l'étude de la précision des mesures du thermomètre.

L'étude de ce concept a également été utilisée dans l'exploration de la planète Mars, dans laquelle on a tenté de connaître le niveau de la mer lors de missions menées 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 ºC) et une pression partielle de vapeur de 611,656 pascals (0,00603659 atm).

À ce stade, la conversion de la substance en l'une quelconque des trois phases est possible avec des changements minimaux de sa température ou de sa pression. Même si la pression totale du système pourrait être supérieure à celle requise pour le point triple, si la pression partielle de vapeur est à 611,656 Pa, le système atteindra le point triple de la même manière.

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 similaire 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, sous vide) et lorsque le chauffage à pression constante est utilisé, la glace solide se convertit directement en vapeur d'eau sans passer à travers le liquide; Il s'agit d'un processus appelé sublimation.

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

Pour de nombreuses substances, la valeur de 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 le montre la ligne pointillée verte sur la figure précédente.

Dans les phases à haute pression, l'eau a un diagramme de phase assez complexe, dans lequel quinze phases de glace connues sont représentées (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. A basse température constante et pression croissante, la vapeur peut se transformer directement en glace, sans passer par la phase liquide.

Les différentes conditions qui se produisent sur les planètes où le point triple a été étudié (Terre au niveau de la mer et dans la zone 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 à cause de l'intervention de l'expérimentateur.

Point triple cyclohexane

Le cyclohexane est un cycloalcane dont la formule moléculaire est C ₆ H ₁₂. Cette substance a la particularité de présenter des conditions de point triple facilement reproductibles, comme dans le cas de l'eau, puisque ce point est situé à une température de 279,47 K et une pression de 5,388 kPa.

Dans ces conditions, on a observé que le composé bouillait, se solidifiait et fondait avec des changements minimaux de température et de pression.

Point triple du benzène

Dans un cas similaire au cyclohexane, le benzène (composé organique de formule chimique C ₆ H ₆) présente des conditions de point triple facilement reproductibles en laboratoire.

Ses valeurs sont de 278,5 K et 4,83 kPa, donc l'expérimentation avec ce composant au niveau débutant est également courante.

Références

1. Wikipédia. (sf). Wikipédia. Récupéré de en.wikipedia.org
2. Britannica, E. (1998). Encyclopédie Britannica. Récupéré de britannica.com
3. Puissance, N. (sf). Pouvoir nucléaire. Récupéré de nucleaire-power.net
4. Wagner, W., Saul, A. et Prub, A. (1992). Equations internationales pour la pression le long de la fusion et le long de la courbe de sublimation de l'eau ordinaire. Bochum.
5. Penoncello, SG, Jacobsen, RT et Goodwin, AR (1995). Une formulation de propriété thermodynamique pour le cyclohexane.