Qu´est-ce que le point triple de l´eau ?

Le point triple de l´eau est une notion essentielle pour mesurer avec précision la température dans le monde entier. Ce phénomène naturel est au fondement des normes scientifiques, et il est indispensable aux métrologues qui travaillent aujourd´hui dans divers secteurs. Sa nature précise et reproductible garantit la cohérence globale des étalonnages, ce qui en fait un moteur de l´innovation technologique et de la découverte scientifique.

Dans cet article, nous verrons ce qu´est un point triple, ce qu´est le point triple de l´eau, quelle est son importance et quels sont ses avantages pour la mesure de la température et l´étalonnage.

Qu´est-ce que le point triple d´une substance ?

Toutes les substances, qu´il s´agisse de l´eau, de l´azote, du zinc, etc., possèdent un diagramme de phase : cela désigne la représentation graphique de cette substance dans ses différents états de la matière (solide, liquide, gazeux) ainsi que les transitions entre ces états du fait des variations de température et de pression.

Dans un diagramme de phase, les transitions entre les états sont représentées par différentes courbes. Le point triple correspond au point où se rencontrent les courbes de transition de phase, qui marque la seule température et la seule pression auxquelles les trois phases coexistent. Voici un exemple de diagramme de phase (ne correspondant à aucune substance en particulier) qui indique le point triple :

En d´autres termes, le point triple d´une substance est la combinaison spécifique d´une température et d´une pression auxquelles les trois états d´une substance (ses phases solide, liquide et gazeuse) coexistent en équilibre thermodynamique.

Cette condition étant déterminée par les propriétés physiques et chimiques de la substance, le point triple de chaque matériau est unique. Par exemple, le point triple du dioxyde de carbone se produit à -56,6 °C et 5,1 atmosphères standard (atm). Le point triple du néon, quant à lui, se produit à -248,59 °C et 0,428 atm. Pour de nombreuses substances, les températures ou les pressions de leur point triple ne sont pas très pratiques à utiliser comme références de température. Mais l´argon et le mercure ont tous deux un point triple que les experts utilisent comme norme de référence de mesure ; celui de l´argon se produit à -189,344 °C et 0,680 atm, et celui du mercure, à -38,834 °C et 1,63×10−9 atm.

Qu´est-ce que le point triple de l´eau ?

Le point triple de l´eau se produit à une température de 0,01 °C et une pression de 0,00603659 atm, ce qui correspond à la pression de vapeur de l´eau à cette température. A l´intersection entre cette température et cette pression, les molécules d´eau présentent un équilibre unique où elles existent simultanément sous forme de glace solide, d´eau liquide et de vapeur d´eau.

Dans le diagramme de phase de l´eau, le point triple correspond à l´intersection de trois courbes représentant les transitions entre :

• Glace et eau liquide (fusion/congélation) ;
• Eau liquide et vapeur (évaporation/condensation) ;
• Glace et vapeur (sublimation/déposition).

Cette intersection est l´une des plus importantes et plus précises références utilisées en thermodynamique. Dans la pratique, le point triple de l´eau est un point de référence crucial, à la fois pour la définition de la température et les applications pratiques de mesure de la température. En effet, on a presque toujours de l´eau à disposition, son point triple est relativement facile à reproduire et la température de ce point triple correspond à un point de passage raisonnable entre températures froides et températures chaudes sur l´échelle thermique.

En 1954, la Conférence générale des poids et mesures (CGPM) a officiellement intégré le kelvin (K) au Système international d´unités (SI) en définissant le point triple de température de l´eau comme 273,16 K. Elle a également défini l´unité kelvin elle-même comme valant 1/273,16^e du point triple de l´eau. Cette décision a entériné une norme universelle pour la mesure de la température, et cette constante naturelle constitue un point d´ancrage stable de la métrologie depuis plus de soixante ans.

En 2019, toutefois, la communauté scientifique internationale a adopté une nouvelle définition du kelvin. Auparavant basée sur le point triple de l´eau, la définition fait désormais référence à la constante de Boltzmann, ce qui rapproche plus directement la température de la physique fondamentale.

Même si le point triple de l´eau n´est plus officiellement le fondement de l´unité kelvin, son héritage perdure. Les laboratoires d´étalonnage continuent d´utiliser des cellules au point triple de l´eau et d´autres cellules à point fixe pour un étalonner avec précision la température.

Réalisation du point triple et cellules au point triple

Le point triple de l´eau se produit rarement, voire jamais, à l´état naturel. Pour amener l´eau jusqu´à son point triple, il faut donc avoir recours à un processus appelé réalisation du point triple qui consiste à créer les conditions dans lesquelles les trois phases de l´eau (solide, liquide et vapeur) coexistent. Ce processus est réalisé dans un appareil spécialisé appelé cellule au point triple, généralement un récipient en verre étanche contenant de l´eau pure sans oxygène. L´utilisateur refroidit la cellule jusqu´à environ 0 °C, puis insère de la glace sèche pilée ou un appareil de refroidissement, par exemple un congélateur d´immersion « à agrippage rapide », dans le puits interne (appelé tube de réinsertion) de la cellule pour former une couche de glace. 

Les laboratoires d´étalonnage utilisent des cellules au point triple, comme la cellule au point triple de l´eau Fluke 5901, pour maintenir les conditions nécessaires à la réalisation du point triple.

Les cellules au point triple de l´eau doivent être fabriquées avec soin de façon à garantir aux utilisateurs les bonnes conditions pour une mesure précise de la température. Voici les points à prendre en compte :

• Composition isotopique : les cellules au point triple de l´eau standard utilisent une eau conforme à la définition du point triple de l´eau du Bureau international des poids et mesures (BIPM), ce qui nécessite une eau à la composition isotopique spécifique. Ainsi, des variations dans la composition isotopique de l´eau, par exemple la teneur en deutérium, peuvent légèrement modifier la température au point triple.
• Pureté de l´eau : même des impuretés minuscules peuvent modifier les conditions nécessaires pour atteindre le bon point triple de température de l´eau. Les impuretés couramment présentes dans l´eau, telles que le sodium, l´oxygène et l´azote, entraînent une erreur sur la température du point triple, même à des niveaux d´impureté de l´ordre de la partie par million (ppm).

Pourquoi le point triple de l´eau est-il important pour l´étalonnage ?

Le point triple de l´eau revêt une importance capitale pour l´étalonnage et la mesure de la température. Il est utilisé dans de nombreuses applications. Voici quelques-unes des applications générales les plus courantes du point triple de l´eau et autres cellules au point triple dans l´étalonnage :

• Etalonnage de la température : les cellules au point triple de l´eau et au point fixe constituent la référence absolue pour l´étalonnage des thermomètres, y compris les thermomètres à résistance de platine standard (SPRT).
• Validation d´instruments : en utilisant des cellules au point triple de l´eau en laboratoire, les métrologues assurent la précision des thermomètres de référence, qu´ils contrôlent régulièrement dans ces cellules. Ainsi, ils s´assurent que les étalonnages ultérieurs des capteurs numériques et sondes de température haute précision seront fiables.
• Atteindre un faible degré d´incertitude : les cellules au point triple de l´eau peuvent atteindre des incertitudes de mesure de seulement 0,0001 °C. Elles sont donc indispensables dans les industries où la fiabilité et un haut degré de précision des mesures de température sont nécessaires, notamment l´aérospatiale, l´industrie pharmaceutique et la fabrication de pointe.

Ces applications générales se rencontrent très souvent dans nombre de secteurs. En voici quelques-uns :

• Aérospatiale : les ingénieurs utilisent des étalonnages au point triple de l´eau et des cellules au point fixe pour s´assurer que les matériaux des engins spatiaux tiennent et fonctionnent dans des conditions thermiques extrêmes.
• Industrie pharmaceutique : la surveillance précise de la température pendant la formulation des médicaments repose sur la vérification de l´eau au point triple et l´étalonnage au point fixe pour éviter les écarts coûteux.
• Cryogénie : le point triple de l´eau sert de référence pour l´étalonnage des instruments utilisés dans les études cryogéniques, où les températures s´approchent du zéro absolu. Son faible degré d´incertitude garantit des mesures précises dans ces conditions extrêmes.

Foires aux questions : Comprendre le point triple de l´eau

Qu´est-ce qui fait la particularité du point triple de l´eau par rapport à celui d´autres substances ?

Le point triple de l´eau possède plusieurs attributs qui en font un point fixe de température unique. Sa reproductibilité, sa stabilité, sa disponibilité et sa proximité avec le point central de l´échelle de température sont autant de raisons qui expliquent que les experts et les scientifiques continuent de l´utiliser aujourd´hui. Il sert de point de référence pour les échelles de température, pour définir l´unité de température SI (le kelvin) et comme point de température pratique dans les laboratoires d´étalonnage.

Comment le point triple de l´eau est-il préservé dans les laboratoires ?

Les scientifiques de laboratoire utilisent des cellules d´eau au point fixe pour la réalisation du point triple de l´eau, afin d´étalonner correctement certains appareils de mesure. Les scientifiques et experts conservent ces cellules au point triple dans des bouillons de liquide d´étalonnage, ou simplement dans des récipients isolés remplis de glace pilée et d´eau, afin de préserver les conditions nécessaires à l´apparition du point triple de l´eau. Certains de ces appareils de maintenance peuvent maintenir une cellule au point triple de l´eau pendant des semaines, voire des mois. D´autres peuvent atteindre le point triple rapidement, mais ne le préserveront que quelques heures.

Pourquoi le point triple de l´eau est-il légèrement supérieur à 0 °C ?

La valeur de 0,01 °C correspond à la température à laquelle les trois états de l´eau coexistent simultanément. Cette valeur de 0 °C correspond au point de fusion de l´eau à la pression standard au niveau de la mer (1 atm).

Le point triple de l´eau n´est pas seulement une merveille scientifique : c´est une valeur pratique et indispensable pour l´étalonnage et la mesure de la température. Grâce à des conditions précises et reproductibles, il garantit la précision dans une vaste éventail de secteurs, de la production pharmaceutique à l´ingénierie aérospatiale.

Quel est le lien entre le point triple de l´eau et l´échelle de Kelvin ?

Jusqu´en 2019, le point triple de l´eau constituait la pierre angulaire du kelvin, l´unité SI utilisée pour la température, et de l´échelle de température de Kelvin. Cette année-là, la communauté scientifique internationale a revu la définition du kelvin : au lieu d´être établi à partir du point triple de l´eau, il est désormais défini d´après la constante de Boltzmann.

Malgré cette évolution dans la définition du kelvin, la précision et la reproductibilité du point triple de l´eau en font toujours un étalon de référence fiable. Les instruments d´étalonnage tels que les cellules au point triple de l´eau permettent aux scientifiques et aux métrologues d´étalonner avec soin les thermomètres de référence afin de garantir la conformité aux définitions et normes internationales de température, ainsi que des mesures fiables et de haute qualité.

Quelles sont les idées reçues les plus courantes concernant le point triple de l´eau ?

L´une des idées reçues courantes est que le point triple pourrait se produire dans des conditions du quotidien. En réalité, le point triple de l´eau nécessite une pression et une température très spécifiques de 0,01 °C, des conditions qui ne s´observent généralement pas en dehors des environnements de laboratoire contrôlés.

Une autre de ces idées reçues concerne la pureté de l´eau requise. Le point triple est valable uniquement pour une eau pure à la composition isotopique standard. Des impuretés ou des variations dans les rapports isotopiques, notamment des niveaux de deutérium trop élevés, peuvent modifier la température au point triple. C´est la raison pour laquelle les cellules au point triple sont méticuleusement conçues pour éliminer les contaminants et garantir la cohérence isotopique.

Enfin, certains pensent que le point triple n´existe que pour l´eau. S´il est surtout associé à l´eau, il existe pour toutes les substances dans des conditions différentes, mais les propriétés uniques de l´eau rendent son point triple particulièrement important dans les domaines de la métrologie et de la thermodynamique.

Pourquoi le point triple de l´eau est-il important dans les applications industrielles au-delà de l´étalonnage ?

Si l´étalonnage demeure l´une des principales applications du point triple de l´eau, son importance s´étend également aux industries qui exigent des transitions de phase extrêmement précises.

Dans le domaine de la cryogénie, notamment, le point triple est utilisé comme température de référence pour aider les scientifiques à étudier les matériaux et les processus à des températures extrêmement basses. Sa stabilité et sa reproductibilité permettent aux chercheurs d´obtenir des résultats fiables dans des expériences de haute sensibilité.

Dans la fabrication pharmaceutique, les thermomètres validés et vérifiés avec des cellules au point triple de l´eau font partie intégrante du procédé de lyophilisation, qui permet de préserver les médicaments et les matériaux biologiques. Grâce à un contrôle précis de la température et de la pression, les fabricants assurent la transition directe de l´eau de la glace à la vapeur, sans passer par la phase liquide, ce qui permet de préserver l´intégrité structurelle du produit.

L´industrie aérospatiale recourt également à des instruments étalonnés au point triple. Le but : garantir le fonctionnement fiable des composants des engins spatiaux dans des conditions de température extrêmes. Ces applications démontrent la polyvalence du point triple au-delà de son rôle fondamental dans les laboratoires d´étalonnage standard.

Qu´est-ce qui fait la particularité du point triple de l´eau par rapport à celui d´autres substances ?

Le point triple de l´eau constitue un étalon naturel unique du fait de sa commodité comme norme de référence par rapport à celui d´autres substances. Il est relativement facile d´amener l´eau aux bons niveaux isotopiques et de pureté, de maintenir les cellules d´eau à leur point triple et d´utiliser des instruments qui permettent de les maintenir facilement à la bonne température. A l´inverse, pour beaucoup d´autres substances, le point triple est difficile à répliquer en raison d´exigences de température ou de pression extrêmes, ce qui peut revenir beaucoup plus cher qu´une cellule au point triple de l´eau.