PUNTO TRIPLE DE LAS SUSTANCIAS

PUNTO TRIPLE DEL AGUA Tras ver en Espacioencia teorías que son tan conocidas como La ley de la Gravedad, y otras que no son para nada empíricas pero sí populares, como la ley de la atracción, queremos definir ahora qué es el Punto triple del agua, que consiste en un proceso en el que podemos decir que las tres fases del agua, coexisten de manera equilibrada. Punto triple del agua EL PUNTO TRIPLE DEL AGUA Introducción Desde siempre hemos estudiado que el agua tiene tres estados y que pasa de uno a otro si se le aplican las suficientes condiciones del frío o calor. Estos estados son sólido, líquido y gaseoso. El agua se encuentra en la naturaleza en estos tres estados, y pasa también de uno a otro para seguir con el ciclo del agua, un ciclo indispensable para la supervivencia del planeta y todos sus seres vivos. Punto triple del agua Sin embargo, (y esto igual te sorprende), el agua no siempre se presenta solamente en uno de estos tres estados. De hecho, con las condiciones de temperatura y de presión atmosférica adecuadas, podría llegar a presentarse en los tres estados al mismo tiempo. Es lo que se denomina triple punto del agua. ¿QUÉ ES EL PUNTO TRIPLE DEL AGUA?: Si bien ya hemos dicho que el punto triple del agua es el punto en el que las tres fases del agua coexísten de forma equilibrada, cabe añadir que la temperatura puede variar dependiendo del líquido al que se le aplique, aunque en el caso que nos ocupa, el del agua, tenemos que decir que este punto se encuentra a 0,01ºC y 0,006 atmósferas; es decir, está prácticamente a 0ºC y a una presión unas 165 veces más pequeña que la atmosférica. Hemos de recordar, para entender mejor de lo que os hablo, que 1 atmósfera es una presión equivalente a la presión de la atmósfera terrestre a nivel del mar. Así pues, con las condiciones anteriores el agua líquida, el vapor de agua y el hielo se pueden presentar de manera simultánea. A partir de estas condiciones podemos decir que nos será posible cambiar el estado de toda la masa de agua a hielo, agua líquida o vapor arbitrariamente haciendo pequeños cambios en la presión y la temperatura. Si colocamos el agua a altas temperaturas primero vamos a obtener agua líquida y, a continuación, agua sólida. Una vez superado la presión de los 190 pascales se obtiene una forma cristalina de hielo que es más denso que el agua líquida. TABLA DE PUNTOS TRIPLES agua El agua no es el único elemento que puede manifestarse en los tres estados, la mayoría pueden hacerlo si se dan las condiciones adecuadas. Estas tienen como referencia la presión 0, que es la existente en la superficie de la Tierra al nivel del mar. Aquí puedes ver una tabla con los puntos triples de los distintos elementos: *Nota: (T) es la temperatura y (P) la presión Acetileno 192,4 T – 120 P Amoníaco 195,40 T- 6,076 P Argón 83,81 T – 68,9 P Grafito 3900 T – 10100 P Dióxido de carbono 216,5 T – 5517 P Monóxido de carbono 68,10 T – 15,37 P Deuterio 18,63 T – 17,1 P Etano 89,89 T – 8 × 104 P Etileno 104 T – 0,12 P Helio-4 2,19 5,1 Hidrógeno 13,84 7,04 Cloruro de hidrógeno 158,96 T – 13,9 P Mercurio 234,2 T – 1,65 × 10−7 P Metano 90,68 T – 11,7 P Neón 24,57 T – 43,2 P Óxido nítrico 109,50 T – 21,92 P Nitrógeno 63,18 T – 12,6 P Óxido nitroso 182,34 T – 87,85 P Oxígeno 54,36 T – 0,152 P Paladio 1825 T – 3,5 × 10−3 P Platino 2045 T – 2,0 × 10−4 P Dióxido de azufre 197,69 T – 1,67 P Titanio 1941 T – 5,3 × 10−3 P Hexafluoruro de uranio 337,17 T – 151,7 P Agua 273,16 T – 0,61 P Xenón 161,3 T – 81,5 P Zinc 692,65 T – 0,065 P Punto triple del agua EL PRINCIPIO DEL PUNTO TRIPLE DEL AGUA EN OTROS EJEMPLOS: A partir de este principio, que ya hemos visto por la tabla anterior, podemos aplicarlo en otros líquidos o de hecho en otros ejemplos. Por ejemplo, la presión que marca el punto triple del agua fue utilizada durante la misión Mariner 9 a Marte ya que permitió tener un punto de referencia para definir “el nivel del mar”. Misiones más recientes hacen uso de altimetría láser y gravimetría en lugar de la presión atmosférica para medir la elevación en Marte. 1 Introducción La importancia del agua en la ingeniería difícilmente puede ser exagerada, ya que aparece en toda clase de aplicaciones. En el campo de la termodinámica técnica, es el componente esencial de las máquinas de vapor, entre otras aplicaciones. A modo de introducción, en este artículo se comentan algunas de las propiedades de esta sustancia. En especial, sus aspectos termodinámicos de su fase líquida, de su fase gaseosa y del estado de equilibrio entre ambas. 2 Fases del agua En sus estados más habituales, el agua se presenta en tres formas: una sólida (hielo), una líquida (llamada simplemente agua) y una gaseosa (vapor de agua). No son los únicos estados posibles, ya que existen diferentes formas de hielo, según como cristalice. A una presión ambiente de 101 kPa (1 atm), el agua se encuentra en forma de hielo por debajo de la temperatura de fusión 273.15 K (0.00°C) y de agua por encima de esta temperatura hasta la temperatura de ebullición 373.13K (99.98°C). Por encima de esta temperatura se encuentra en forma de vapor de agua. La temperatura de fusión y la de ebullición son funciones de la presión. A una presión mayor la temperatura de ebullición se eleva. Así, a una presión de 400 kPa, la temperatura de ebullición es de 417 K (144°C). Este es el principio de las ollas a presión, que consiguen alcanzar una mayor temperatura en forma líquida. La temperatura de fusión depende mucho menos de la presión. El agua es excepcional respecto a la mayoría de las sustancias en cuanto a que al aumentar la presión la temperatura de fusión disminuye (normalmente aumenta). Este es el principio que permite patinar sobre hielo. El hielo no es para nada resbaladizo. Sin embargo, al ejercerse una presión sobre él se forma una fina capa de agua que permite el deslizamiento. Una mezcla de agua y hielo a la temperatura de fusión se encuentra en equilibrio térmico. Ni el hielo se derrite, ni el agua se congela. Asimismo, a la temperatura de ebullición, el agua se encuentra en equilibrio térmico con el vapor de agua. Existe una presión a la cual la temperatura de fusión y la de ebullición se igualan. A la presión de 611.73 Pa (6.11 mbar) y la temperatura de 273.16 K se produce el equilibrio térmico entre las tres fases. A este punto se lo conoce como punto triple del agua. 3 Propiedades del agua Si tenemos una cantidad de agua (líquida) a una cierta temperatura y la presión a la que se encuentra es superior a la que produciría ebullición a esa temperatura, se dice que es un líquido comprimido (ya que la presión exterior la mantiene en estado líquido) o líquido subenfriado (ya que se encuentra por debajo de su temperatura de ebullición). Esta es la situación habitual entre 0°C y 100°C a la presión de una atmósfera. A esta presión, el agua tiene una densidad que es aproximadamente igual a 1000 kg/m³. Esta densidad, no obstante, depende ligeramente de la temperatura T(°C) ρ (kg/m³) T(°C) ρ (kg/m³) T(°C) ρ (kg/m³) 0.01 999.8 35 994.1 70 978 5 1000 40 992.3 75 975 10 999.7026 45 990.2 80 972 15 999.1026 50 988 85 968 20 998.2071 55 986 90 965 25 997.0479 60 983 95 962 30 995.6502 65 980 100 958 De esta tabla y esta gráfica, salta a la vista otra propiedad del agua que la hace diferente al resto de sustancias: la densidad no disminuye monótonamente, sino que tiene un máximo. Esto quiere decir que, en general el agua caliente es más ligera que el agua fría y por tanto, tenderá a ir hacia la superficie, pero a temperaturas próximas a 0°C la tendencia se invierte y el agua más caliente es más pesada que la fría. El máximo de densidad se alcanza a 4ºC. Esto es lo que se conoce como anomalía térmica del agua. Esta propiedad permite que el agua de un lago no se congele por completo. Si no hubiera anomalía, el agua más caliente quedaría en la superficie, donde se iría enfriando, cayendo al fondo y siendo sustituida por agua caliente, que se enfriaría a su vez, etc, hasta que todo quedara congelado. Al existir la anomalía esto no se produce porque el agua más caliente se queda abajo y el calor solo se pierde por conducción y no por convección, lo que es mucho más lento.