¿Por qué existe el punto triple?

La unión de tres vías está ahí porque es donde las tres fases (sólido, líquido y vapor) de una sustancia pueden coexistir en equilibrio termodinámico entre sí. A todas las demás temperaturas, solo dos (o una) fases pueden coexistir juntas en equilibrio.

Podrías decir que puedes tener hielo en un vaso de precipitados con agua con la parte superior del vaso de precipitados cubierta y, finalmente, el hielo, el agua y el vapor de agua alcanzarán la misma temperatura. Así que aquí tienes las tres fases del agua en equilibrio entre sí y debe ser el punto triple. Eso no es así porque también hay aire presente que altera el equilibrio.

Refiriéndose al gráfico que ha proporcionado, que resulta ser para el agua, creo.

Me imagino que tenías una muestra de agua pura en un recipiente y podías variar la presión y la temperatura dentro del recipiente.

El diagrama de fase le muestra para cada valor de presión y temperatura lo que le sucederá al agua dentro de su recipiente.

Por ejemplo, suponga que mantuvo la temperatura del recipiente a una temperatura fija que estaba por encima de la temperatura del punto triple pero por debajo de la temperatura crítica y varió la presión dentro del recipiente a partir de una presión muy baja, cada vez esperando que el agua alcance un equilibrio. estado.

Inicialmente, dentro del recipiente solo habría vapor de agua, pero a medida que aumentaba la presión, se alcanzaba una presión (en realidad llamada presión de vapor saturada) en la que tanto el agua líquida como el vapor de agua podían coexistir entre sí.
La línea azul es el gráfico de presión de vapor saturado contra temperatura.

Al aumentar aún más la presión, solo tendría agua líquida en su recipiente.

Si repitiera el experimento a la temperatura del punto triple, a bajas presiones primero tendría vapor de agua, pero a cierta presión encontraría que las tres fases de agua, sólida, líquida y vapor, coexisten juntas en equilibrio.

Aumentar aún más la presión daría como resultado que solo haya agua líquida en su recipiente.

La temperatura a la que las fases sólida, líquida y de vapor están en equilibrio está lo suficientemente bien definida como para hacer celdas de punto triple que contienen puntos de referencia de sustancia pura para la calibración de termómetros.

Puede medir hasta qué punto se define la pureza leyendo la sección Unidad de temperatura termodinámica (kelvin) p113-114 . Incluso definen la composición isotópica del agua.

No sé a qué te refieres con la palabra coincidencia. El punto triple no es exclusivo del agua.

La existencia de un punto triple no es una coincidencia en absoluto. Será una característica necesaria tan pronto como tenga tres fases diferentes en su diagrama de fase que se puedan alcanzar entre sí.

Es como cuando tienes tres países que comparten fronteras. Solo por geometría, tiene que haber un punto donde los bordes se cruzan.

Sin embargo, la posición del punto triple dependerá, por supuesto, de los detalles de la sustancia en cuestión.

EDITAR: Debido a que los diagramas de fase termodinámicos pueden tener puntos críticos donde terminan los límites de fase, la explicación aproximada anterior no es del todo cierta. Se puede pensar en una situación en la que la tercera fase limita con la región crítica, como sigue:

Sin embargo, yo mismo no conozco tal fase.

Aparte de esto, no veo cómo se puede evitar el punto triple. (Estoy feliz de que me muestren otro ejemplo (no trivial) donde se evita el punto triple).

EN COMENTARIO: También te puede interesar ver la regla de fase de Gibbs .

Porque los líquidos no existen∗. Un líquido es solo un aspirante a gas.

Hay dos fases de la materia: sólido (frío) que se convierte en gas (caliente) a cierta temperatura (273 K para H₂O). Este proceso se llama sublimación.

Sin embargo, si se calienta por encima de la temperatura de sublimación en una región con cierto nivel de presión, la presión impide la sublimación completa. Algunas partículas retienen ciertas propiedades de un sólido (enlaces intermoleculares, tamaño fijo) pero adquieren algunas propiedades de un gas (forma fluida). A esta fase intermedia la llamamos "líquida".

Entonces, a esa presión, cualquier molécula con baja temperatura* permanece sólida; algunas moléculas con alta temperatura se convierten en gas; y algunas moléculas con alta temperatura intentan convertirse en gas, pero se aplastan hasta convertirse en líquido.

Este es el punto triple, donde las temperaturas de fusión y ebullición son las mismas. Aumente aún más la presión y la temperatura de fusión permanecerá igual∗∗∗ mientras aumenta el punto de ebullición. Ahora solo puedes tener sólido y líquido, o líquido y gas.

Analogía : un cine. Durante la película (temperatura baja), la audiencia está fija en su lugar (sólido). Cuando termina la película (temperatura alta), salen y se esparcen libremente (gas). Pero cuando se levantan para irse, están en los pasillos, no están fijos en su lugar pero no pueden esparcirse adecuadamente (líquidos). La fase líquida solo existe cuando muchas personas están tratando de salir al mismo tiempo (alta presión); si te levantas a la mitad para ir al baño, sublimas de sólido a gas (baja presión).

∗ Sí, lo sé. Por supuesto que existen líquidos, pero creo que pensar en ellos como "extraños" ayuda a comprender.

∗∗ Las moléculas individuales no tienen una "temperatura". Estoy usando esto como abreviatura de "la energía cinética promedio de una sola molécula de una sustancia a cierta temperatura".

∗∗∗ Más o menos lo mismo. Además, ¿alguien sabe cómo usar un * ordinario al comienzo de una línea?