IL PUNTO TRIPLO

E’ intuitivo che il diminuire della pressione faciliti qualsiasi processo spontaneo di espansione della materia, come la vaporizzazione, dato che il vapore occupa un volume maggiore di quello del liquido corrispondente. Quella che è una semplice intuizione trova conferma in un diagramma, che viene appunto chiamato diagramma di stato o diagramma delle fasi, dove per fase si intende lo stato di aggregazione.

Il grafico è rappresentato in un piano cartesiano pressione- temperatura e quindi ogni punto del piano corrisponde a una precisa condizione ambientale avente la pressione e la temperatura indicate dal punto.  

Il grafico delle fasi (rappresentato in figura per una generica sostanza), si ottiene riportando su un piano i valori della temperatura T relativa ai vari passaggi di stato di una sostanza in funzione della pressione p. Sono state evidenziate, con tre diversi colori, le regioni del piano corrispondente ai tre possibili stati di aggregazione. Inoltre:

• La linea a rappresenta le temperature di sublimazione al variare della pressione;

• La linea b rappresenta i punti di fusione;

• La linea c rappresenta infine i punti di ebollizione delle differenti pressioni.

Notiamo subito che le tre curve a, b, c hanno un punto in comune, indicato con T sul grafico, che viene chiamato punto triplo perché nelle condizioni ambientali di temperatura e di pressione indicate da T, è possibile trovare la sostanza in tutte e tre gli stati di Aggregazione.

Notiamo ancora che la curva di vaporizzazione c dapprima cresce rapidamente, poi si stabilizza e i valori della temperatura rimangono costanti, così che la curva procede parallela all’asse delle ascisse. Il punto in cui la curva c cambia viene detto punto critico (C) e le su coordinate sono rispettivamente:

                           Tc = temperatura critica del gas      e          pc = pressione critica del gas

I grafici delle diverse sostanze sono tutti molto simili nella forma; differiscono per la posizione che assumono nel piano, in quanto i valori di p e T del punto triplo e del punto critico sono caratteristici di ogni sostanza.    

Per interpretare questo grafico, procediamo a leggerlo in modi diversi:

a)      leggiamo il grafico procedendo da sinistra verso destra, vale a dire partendo da una pressione molto bassa e aumentandola poco a poco:

p < pt: la sostanza si trova allo stato aeriforme qualunque sia la sua temperatura.  

Tuttavia:

-         se T < T_T  è sufficiente un lieve aumento di pressione perché la sostanza passi direttamente allo stato solido per brinamento;

-         se T_T < T < T_c aumentando la pressione, cioè comprimendo il vapore, questo passa prima allo stato liquido, poi allo stato solido.

Notiamo inoltre che, poiché la linea c nel primo tratto cresce più rapidamente della linea b, l’intervallo di temperatura entro il quale la sostanza si trova allo stato liquido, si allarga all’aumentare della pressione; infatti, aumenta sensibilmente la temperatura di ebollizione;

-         se T > T_c anche aumentando la pressione, la sostanza resta aeriforme; decidiamo allora che la sostanza non è più vapore, ma un gas;

 

b)      leggiamo ora il grafico procedendo dal basso verso l’alto, quindi iniziando con una temperatura molto bassa e aumentandola poco a poco:

T < T_T: la sostanza è solida a qualunque pressione. Tuttavia:

-         se p < p_t è sufficiente un lieve aumento di temperatura, perché la sostanza passi direttamente allo stato aeriforme per sublimazione;

-         se p > p_t aumentando la temperatura, la sostanza prima fonde, poi passa allo stato aeriforme.

Possiamo concludere che:

-         la temperatura critica di un gas è quella temperatura, caratteristica di ogni sostanza, al di sopra della quale, pur comprimendo il gas non è possibile liquefarlo;

-         un vapore è una sostanza aeriforme che si trova ad una temperatura inferiore alla sua temperatura critica. Diventa liquido e poi solido per compressione oppure per raffreddamento;

-         un gas è una sostanza aeriforme che si trova a temperatura superiore alla sua temperatura critica; per liquefarlo non basta la sola compressione, bisogna prima raffreddarlo al di sotto della temperatura critica.

Il punto critico dell’acqua si trova alla temperatura di 374 °C e alla pressione di 220x10⁵ Pa; l’acqua allo stato aeriforme che si forma a 100 °C e 1,013x10⁵ Pa è molto al di sotto delle condizioni critiche ed è quindi un vapore.

L’ossigeno e l’idrogeno hanno temperatura critica rispettivamente di –119 °C e di –240°C; pertanto, a temperatura ambiente si trovano molto al di sopra del loro punto critico e quindi sono dei gas.

Infatti per liquefare l’idrogeno bisogna prima raffreddarlo a temperatura inferiore a –240 °C e poi comprimerlo.

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