¿Qué es el punto triple del agua?

El punto triple del agua es fundamental para la precisión de la medición de temperatura en todo el mundo. Este fenómeno natural ha sentado las bases de los estándares científicos y es indispensable para los metrólogos que trabajan hoy en día en diversos sectores. Su naturaleza precisa y reproducible garantiza la coherencia global en las calibraciones, lo que lo convierte en un motor clave de la innovación tecnológica y los descubrimientos científicos.

En este artículo analizaremos qué es un punto triple, cuál es el punto triple del agua, por qué es importante y cómo beneficia a la medición de la temperatura y a los esfuerzos de calibración.

¿Qué es el punto triple de una sustancia?

Cada sustancia, ya sea agua, nitrógeno, zinc, etc., tiene un diagrama de fases, es decir, una representación gráfica de esa sustancia tal y como existe en sus distintos estados de la materia (sólido, líquido, gaseoso) y las transiciones entre los estados de esa sustancia provocadas por cambios en la temperatura y la presión.

En el diagrama de fases, las transiciones entre estados se representan mediante diferentes curvas. El punto triple es donde se encuentran las curvas de transición de fase, y marca la única temperatura y presión en la que las tres fases coexisten. A continuación se muestra un ejemplo de un diagrama de fases (de ninguna sustancia en particular) que indica el punto triple:

En otras palabras, el punto triple de una sustancia es la combinación específica de temperatura y presión en la que coexisten los tres estados de una sustancia (fase sólida, líquida y gaseosa) en equilibrio termodinámico.

Esta condición viene determinada por las propiedades físicas y químicas de la sustancia, lo que hace que el punto triple de cada material sea único. Por ejemplo, el punto triple del dióxido de carbono se produce a -56,6 °C y 5,1 atmósferas estándar (atm). Mientras que el punto triple del neón ocurre a -248,59 °C y 0,428 atm. Muchas sustancias tienen temperaturas o presiones de punto triple que no son muy prácticas para su uso como referencias de temperatura. Sin embargo, el argón y el mercurio tienen puntos triples que los expertos utilizan como estándar de referencia de medición; el punto triple del argón se produce a -189,344 °C y 0,680 atm; el punto triple del mercurio a -38,834 °C y 1,63 x 10−9 atm.

¿Qué es el punto triple del agua?

El punto triple del agua se produce a una temperatura de 0,01 °C y una presión de 0,00603659 atm, que es la presión de vapor del agua a esa temperatura. En esta intersección de temperatura y presión, las moléculas de agua muestran un equilibrio único en el que existen simultáneamente como hielo sólido, agua líquida y vapor de agua.

En el diagrama de fases del agua, el punto triple es la intersección de tres curvas que representan las transiciones entre:

• Hielo y agua líquida (fusión/congelación).
• Agua líquida y vapor (evaporación/condensación).
• Hielo y vapor (sublimación/deposición).

Esta intersección es uno de los puntos de referencia más significativos y definidos con mayor precisión en termodinámica. De hecho, el punto triple del agua es un punto de referencia fundamental tanto en la definición de temperatura como en aplicaciones prácticas de medición de temperatura. Esto se debe a que el agua es fácilmente accesible, su punto triple es relativamente fácil reproducir y la temperatura del punto triple del agua es un punto de división razonable entre las temperaturas frías y calientes de la escala de temperaturas.

En 1954, la Conferencia General sobre Pesos y Medidas (CGPM) añadió formalmente el kelvin (K) al Sistema Internacional de Unidades (SI) definiendo el punto triple del agua como 273,16 K. El CGPM también definió la unidad kelvin como 1/273,16 del punto triple del agua. Esta decisión estableció un estándar universal para la medición de la temperatura, y esta constante natural fue un punto de referencia inmutable para la metrología durante más de seis décadas.

Sin embargo, en 2019, la comunidad científica internacional adoptó una nueva definición del kelvin, pasando de la definición basada en el punto triple del agua a una nueva definición basada en la constante de Boltzmann, un movimiento que vinculaba la temperatura más directamente a la física fundamental.

Aunque el punto triple del agua ya no es oficialmente la base definitoria del kelvin, su legado perdura. Los laboratorios de calibración siguen utilizando celdas de punto triple del agua y otras celdas de punto fijo para una calibración de temperatura precisa.

Realización del punto triple y celdas de punto triple

El punto triple del agua se da muy raramente, si es que se da, en la naturaleza. Para llevar el agua a su punto triple, los usuarios recurren a un proceso denominado realización del punto triple, que crea las condiciones necesarias para que coexistan las tres fases del agua (sólida, líquida y gaseosa). Este proceso tiene lugar en un dispositivo especializado llamado celda de punto triple, que suele ser un recipiente de vidrio sellado que contiene agua pura y sin oxígeno. El usuario enfría la celda hasta unos 0 °C y, a continuación, introduce hielo seco picado o un dispositivo de refrigeración, como un enfriador de celdas Quick Stik TPW de Fluke, en el pocillo interior (denominado tubo reentrante) de la celda para formar una capa de hielo. 

Los laboratorios de calibración utilizan celdas de punto triple, como la celda de punto triple del agua 5901 de Fluke, para mantener las condiciones necesarias para la realización del punto triple.

Las celdas de punto triple del agua deben fabricarse cuidadosamente para garantizar que los usuarios dispongan de las condiciones adecuadas para una medición precisa de la temperatura. Estas consideraciones incluyen:

• Composición isotópica: en las celdas de punto triple del agua estándar se utiliza agua que cumple con la definición según la Oficina internacional de pesas y medidas (BIPM) del punto triple del agua, que requiere agua de una composición isotópica específica. Por ejemplo, las variaciones en la composición isotópica del agua, como el contenido de deuterio, pueden cambiar ligeramente la temperatura del punto triple.
• Pureza del agua: incluso las impurezas más minúsculas pueden alterar las condiciones necesarias para alcanzar el punto triple correcto de la temperatura del agua. Las impurezas típicas del agua como el sodio, el oxígeno y el nitrógeno provocarán errores en la temperatura de punto triple, incluso en niveles de impureza de parte por millón (ppm).

¿Por qué es importante el punto triple del agua para la calibración?

El punto triple del agua tiene una enorme importancia en la calibración y la medición de temperatura, además de tener muchas aplicaciones. Algunas de las aplicaciones generales más comunes de las celdas de punto triple del agua y otras celdas de punto triple en calibración incluyen:

• Calibración de temperatura: las celdas de punto triple del agua y otras celdas de punto fijo sirven como estándar de referencia para calibrar termómetros, incluidos los termómetros de resistencia de platino (SPRT) estándar.
• Validación de instrumentos: los metrólogos garantizan la precisión de los termómetros de referencia comprobándolos de forma rutinaria en celdas de punto triple del agua. Esto ayuda a los metrólogos a garantizar que las calibraciones posteriores de sensores digitales y sondas de temperatura de alta precisión sean fiables.
• Lograr una baja incertidumbre: las celdas de punto triple del agua pueden lograr incertidumbres de medición de tan solo 0,0001 °C, lo que las hace indispensables en industrias en las que se requiere una medición de temperatura fiable y de gran precisión, como la aeroespacial, la de productos farmacéuticos y la fabricación avanzada.

Estas aplicaciones generales son muy útiles en muchas industrias. Estos son algunos ejemplos:

• Aeroespacial: los ingenieros utilizan calibraciones de punto triple del agua y otras calibraciones basadas en celdas de punto fijo para garantizar que los materiales de las naves espaciales resisten y funcionan en condiciones térmicas extremas.
• Productos farmacéuticos: el control preciso de la temperatura durante la formulación de fármacos se basa en la verificación del agua en el punto triple y la calibración en punto fijo para evitar costosas desviaciones.
• Criogenia: el punto triple del agua sirve como punto de referencia para calibrar los instrumentos que se utilizan en estudios criogénicos, donde las temperaturas alcanzan casi el cero absoluto. Su baja incertidumbre garantiza mediciones precisas en estas condiciones extremas.

Preguntas frecuentes: Comprensión del punto triple del agua

¿Qué hace que el punto triple del agua sea único en comparación con otras sustancias?

El punto fijo del punto triple del agua tiene varias características que lo convierten en un punto fijo de temperatura único. Su reproducibilidad, estabilidad, disponibilidad y posición cercana al punto central de la escala de temperatura son razones por las que expertos y científicos siguen confiando en él hoy en día; los expertos lo utilizan como punto de referencia para las escalas de temperatura, para definir la unidad de temperatura del Sistema Internacional (kelvin) y como punto de temperatura práctico en los laboratorios de calibración.

¿Cómo se mantiene el punto triple del agua en los laboratorios?

Los científicos de laboratorio utilizan celdas de punto fijo del punto triple del agua para obtener el punto triple del agua con el fin de realizar una calibración adecuada de determinados dispositivos de medición. Científicos y expertos mantienen estas celdas de punto triple en caldos líquidos de calibración o simplemente en recipientes aislados llenos de hielo picado y agua para conservar las condiciones necesarias para que se produzca el punto triple del agua. Algunos de estos dispositivos de mantenimiento pueden mantener una celda TPW en el punto triple durante semanas e incluso meses seguidos. Otros pueden alcanzar rápidamente el punto triple, pero solo pueden mantenerlo durante unas horas.

¿Por qué el punto triple del agua está ligeramente por encima de los 0 °C?

El valor de 0,01 °C es la temperatura a la que existen los tres estados del agua al mismo tiempo. El valor de 0 °C es el punto de fusión del agua a la presión estándar del nivel del mar (1 atm).

El punto triple del agua no es solo una maravilla científica, sino una necesidad práctica para la calibración y medición de la temperatura. Sus condiciones precisas y reproducibles garantizan precisión en todos los sectores, desde la producción farmacéutica hasta la ingeniería aeroespacial.

¿Cómo se relaciona el punto triple del agua con la escala kelvin?

Hasta 2019, el punto triple del agua servía como base para el kelvin, que es la unidad SI de temperatura, y la escala de temperatura kelvin. En 2019, la comunidad científica internacional cambió la definición del kelvin, que pasó de ser igual al punto triple del agua a ser igual a la constante de Boltzmann.

Independientemente del reciente cambio en la definición del kelvin, la precisión y reproducibilidad del punto triple del agua sigue convirtiéndolo en un estándar de referencia fiable. Con herramientas de calibración como las celdas de punto triple del agua, científicos y metrólogos pueden calibrar cuidadosamente los termómetros de referencia para garantizar el cumplimiento de definiciones y normas internacionales de temperatura y asegurar mediciones de temperatura fiables y de alta calidad.

¿Cuáles son los conceptos erróneos más comunes sobre el punto triple del agua?

Un error común es pensar que el punto triple puede darse en condiciones cotidianas. En realidad, el punto triple del agua requiere una presión y una temperatura muy específicas de 0,01 °C, condiciones que no suelen encontrarse fuera de entornos controlados de laboratorio.

Otro malentendido tiene que ver con la pureza del agua. El punto triple se aplica estrictamente al agua pura con una composición isotópica estándar. Las impurezas o variaciones en las proporciones isotópicas, como unos niveles de deuterio más elevados, pueden cambiar la temperatura del punto triple. Por este motivo, las celdas de punto triple se construyen meticulosamente para eliminar los contaminantes y garantizar la consistencia isotópica.

Por último, algunos creen que el punto triple solo se aplica al agua. Aunque se asocia con el agua, cada sustancia tiene su propio punto triple, aunque las propiedades únicas del agua hacen que su punto triple sea particularmente importante en metrología y termodinámica.

¿Por qué es importante el punto triple del agua para aplicaciones industriales más allá de la calibración?

Aunque la calibración sigue siendo una de las principales aplicaciones del punto triple del agua, su importancia se extiende a industrias en las que las transiciones de fase precisas son cruciales.

En el campo de la criogenia, por ejemplo, el punto triple sirve como temperatura de referencia para ayudar a los científicos a estudiar materiales y procesos a temperaturas extremadamente bajas. Su estabilidad y reproducibilidad permiten a los investigadores obtener resultados fiables en experimentos de alta sensibilidad.

En la fabricación de productos farmacéuticos, los termómetros validados y comprobados con celdas de punto triple del agua son fundamentales para la liofilización, un proceso que se utiliza para conservar medicamentos y materiales biológicos. Mediante un control preciso de la temperatura y la presión, los fabricantes garantizan que el agua pase directamente del estado sólido al gaseoso sin pasar por la fase líquida, lo que permite mantener la integridad estructural del producto.

La industria aeroespacial también depende de instrumentos de calibración de punto triple para garantizar que los componentes de las naves espaciales funcionen de forma fiable en condiciones térmicas extremas. Estas aplicaciones demuestran la versatilidad del punto triple más allá de su papel fundamental en un laboratorio de calibración de estándares primarios.

¿Qué hace que el punto triple del agua sea único en comparación con otras sustancias?

El punto triple del agua es un estándar natural único debido a su funcionalidad como estándar de referencia en comparación con otras sustancias. Es relativamente fácil conseguir que el agua alcance los niveles isotópicos y de pureza adecuados, además de celdas de punto triple del agua e instrumentos que ayudan a mantenerla fácilmente a la temperatura adecuada. En comparación, muchas otras sustancias tienen puntos triples que son difíciles de replicar debido a requisitos extremos de temperatura o presión y pueden ser mucho más caros que una celda de punto triple del agua.