El punto triple del agua y su increíble física: cuando hielo, agua líquida y vapor coexisten al mismo tiempo

Hay un punto donde el agua se encuentra en tres estados al mismo tiempo: sólido, líquido y vapor. Es bien conocido que en condiciones normales el agua se evapora a 100º C y se congela a 0º C, pero aunque parezca sorprendente hay un punto donde el agua es capaz de pasar de sólido a vapor o viceversa. Se trata del denominado como punto triple, una situación donde coexisten en equilibrio los tres estados.

¿Cómo es posible que el agua esté en varios estados al mismo tiempo? Para ello debemos entender cómo funcionan los cambios de fase. En condiciones normales con la presión atmosférica habitual, en los cero grados centígrados el agua pasa de hielo a agua líquida. Lo mismo sucede a cien grados, donde el agua se evapora. Es bien conocido que en la cima de las montañas más altas, el agua hierve a menos temperatura.

Para alcanzar el punto triple del agua, la temperatura de ebullición debe igualarse a la temperatura de congelación. Y ¿cómo se consigue? La respuesta la encontramos en la presión.

Hielo, agua y vapor al mismo tiempo

Con las condiciones adecuadas de temperatura y presión, el agua puede alcanzar el punto triple. Ese punto donde coinciden al mismo tiempo la fase gaseosa, la fase líquida y la fase sólida.

¿En qué situación el agua alcanza estas condiciones? Para conseguir el punto triple deberemos reducir considerablemente la presión, como si estuviéramos casi en el vacío.

El punto triple del agua se alcanza a una temperatura de 0.0098 °C o 273.16 K, pero la presión no es de 1 atm como de normal, sino de 611,73 Pascales o lo que es lo mismo: 0.0060373057 atm. Con estas condiciones, conseguimos que el punto de ebullición del agua baje hasta los 0,01ºC y el punto de fusión sube ligeramente de 0ºC a 0,01ºC.

A la temperatura de 0,01ºC y con la baja presión nombrada, el agua puede hervir y congelarse al mismo tiempo. Un efecto que choca radicalmente con lo que observamos en la naturaleza, pero contemplado perfectamente por las leyes de la Termodinámica.

Cómo se consigue en la práctica alcanzar el punto triple

El punto triple del agua se sitúa en los 611,73 Pa, según la escala internacional de temperatura ITS90. Esto equivale a una presión unas 165 veces más pequeña que la habitual de la atmósfera terrestre.

Obtener esta baja presión para poder apreciar el punto triple en laboratorio no es sencillo, pues un mínimo efecto de tensión en la superficie del material empleado puede ser suficiente para desequilibrar el estado.

De hecho, el punto triple del agua es tan estable que el Kelvin se define a partir de él. Pues un Kelvin es 1/273,16 de la temperatura termodinámica del punto triple de agua.

El punto triple es la presión mínima a la cual el agua líquida existe. Esto es un punto clave, ya que por ejemplo en el vacío, el hielo se sublima directamente y se convierte en gas sin pasar por fase líquida. Es necesaria al menos esta presión de 611,73 Pa para que el agua exista en forma líquida.

El agua no es el único elemento en tener un punto triple, pero sí tiene sus particularidades. En la mayoría de sustancias, el valor de este punto triple coincide precisamente con la mínima temperatura a la que la fase líquida existe, pero no así en el agua. En todas las sustancias, sí existe un solo punto triple específico de presión y temperatura donde se produce la coexistencia de las tres fases.

Para alcanzar el punto triple del agua es necesario que el tubo donde se realice el experimento esté seco y limpio. Según explica ASSI, empresa de calibración y validación, en primer lugar se realiza un baño de hielo y posteriormente se añade poco a poco hielo seco y alcohol etílico. Un proceso que puede durar más de una semana y donde se va jugando con otros fluidos similares para ir transfiriendo energía y modificando la temperatura.

Según describe Iván Galinskiy en su texto de 'Fabricación de una celda de punto triple en casa', el recipiente tiene que ser suficiente hermético para poder mantener la presión baja y se hallará entre los -10 y los 100ºC aproximadamente. Una opción que él propone es una botella pequeña de Schweppes, junto con pedazos de vidrio para favorecer la formación de burbujas y cinta hermética para aislar la botella. Obtener el punto triple del agua se puede realizar por distintos métodos, pero el efecto de visualizar al mismo tiempo hielo, líquido y ebullición es siempre fascinante.

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