Le point triple de l’eau est un état particulier dans lequel l’eau existe simultanément dans trois états physiques (solide, liquide et gazeux) et en équilibre thermodynamique. Le point triple de l’eau est une température de référence importante pour l’étalonnage des capteurs de température et des thermomètres.

Le point triple de l’eau dans le diagramme de phases

Le point triple de l’eau peut être reconnu par le diagramme de phases de l’eau. Cela représente les différents états (phases) de l’eau dans différentes conditions de pression et de température. L’eau peut exister sous trois états principaux : solide (glace), liquide (eau) et gazeux (vapeur). Le diagramme de phases de l’eau montre les conditions de pression et de température dans lesquelles chacune de ces phases est stable.

Points et courbes importants dans le diagramme de phases de l’eau :

1. Le point triple de l’eau C’est là que se rencontrent les courbes des états solide, liquide et gazeux. À ce point triple de l’eau, les trois phases peuvent exister en équilibre en même temps. Pour l’eau, le point triple est de 0,01°C et 611,657 pascals. Étant donné que le point triple de l’eau est défini par la température et la pression , il est idéal comme point de température fixe pour calibrer les thermomètres.
2. Courbe de fusion : La courbe de fusion sépare l’état solide de l’état liquide. Le long de cette ligne, la glace fond en eau ou l’eau gèle en glace. Cette transition de phase peut être utilisée comme point fixe secondaire pour l’étalonnage des thermomètres. Cependant, cela dépend de la pression et se situe autour de 0 °C.
3. Courbe d’ébullition : Cette ligne sépare l’état liquide de l’état gazeux. Le long de cette ligne, l’eau s’évapore en vapeur ou la vapeur se condense en eau. Le point d’ébullition peut également être utilisé comme point fixe secondaire pour calibrer les thermomètres. Le point d’ébullition de l’eau est d’environ 100 °C à pression atmosphérique.
4. Courbe de sublimation : Cette ligne sépare l’état solide de l’état gazeux. Le long de cette ligne, l’eau peut se sublimer du solide (glace) directement au gaz (vapeur) ou vice versa sans passer par l’état liquide.
5. Point critique : Ce point marque la fin de la courbe d’ébullition. Au-delà de ce point, les phases liquide et gazeuse ne peuvent plus être distinguées et deviennent un fluide supercritique. Pour l’eau, ce point est d’environ 374°C et une pression de 22,06 MPa.

Ce qui est particulièrement remarquable dans le diagramme de phases de l’eau, c’est la pente négative de la courbe de fusion. Cela signifie que plus la pression augmente, plus le point de fusion de la glace diminue. Ceci est inhabituel et différent de la plupart des autres tissus. Cela explique également pourquoi la glace flotte sur l’eau.

Mise en service d’une cellule à point triple eau – « méthode canal de mesure »

La méthode standard pour préparer une couche de glace autour du canal de mesure d’une cellule à point triple d’eau est la « méthode du canal de mesure ». La couche de glace est formée de l’intérieur vers l’extérieur par refroidissement du canal de mesure. Selon le fluide caloporteur utilisé (CO2 solide broyé, refroidisseur immergé à caloduc, barre refroidie à l’azote liquide ou azote liquide), différentes variantes peuvent être appliquées, qui peuvent se résumer comme suit :

1. CO2 solide broyé : Le canal de mesure est rempli de CO2 solide broyé jusqu’à la surface de l’eau dans la cellule et ce CO2 est ajouté jusqu’à formation d’une enveloppe de l’épaisseur souhaitée. Environ 1 ml d’éthanol est ajouté avant le CO2 pour favoriser le transfert de chaleur et un manteau plus épais au fond.
2. Refroidisseur à immersion avec caloduc : Tout d’abord, environ 1 ml d’éthanol et 5 ml de CO2 solide finement broyé sont ajoutés au canal de mesure pour favoriser la nucléation des cristaux et une enveloppe plus épaisse au fond et pour protéger l’eau de la cellule de l’hypothermie. Le refroidisseur à immersion est ensuite inséré dans le canal de mesure et l’espace entre le canal de mesure et le caloduc est rempli d’éthanol. Un cycle de conduction thermique commence et le manteau de glace se forme.
3. Tige refroidie à l’azote liquide : Le canal de mesure est rempli d’éthanol et une tige métallique pré-refroidie à l’azote liquide est insérée. Plusieurs répétitions sont nécessaires pour créer une couche suffisante.
4. Azote liquide : Cette variante peut avoir différentes sous-variantes. Le froid est généralement acheminé dans le canal de mesure de la cellule à eau à point triple via un caloduc doté d’un refroidisseur dans lequel se trouve l’azote liquide.

Dans toutes les variantes décrites ci-dessus, la cellule à eau triple point doit être pré-refroidie à une température proche de 0 °C. Pendant le processus de refroidissement, il faut veiller à ce qu’un solide pont de glace ne se forme pas sur la surface supérieure. Il est également essentiel d’éliminer toute l’eau du canal de mesure avant de préparer la chemise de glace, par exemple en la rinçant avec de l’éthanol de haute pureté.

Le temps nécessaire à la formation d’un manteau de glace dépend de la variante choisie : environ 30 minutes pour les variantes 1 et 3, 60 minutes ou plus pour la variante 2, 10 à 120 minutes pour la variante 4.

En utilisant une méthode alternative non standard connue sous le nom de « méthode de la bouillie », le manteau de glace est formé de l’extérieur vers l’intérieur. Bien que cette méthode présente des avantages pratiques (elle peut être réalisée sur un calibrateur de température industriel à puits sec) et qu’elle s’est avérée compatible avec la « méthode des canaux » à 0,1 mK près, son utilisation est généralement limitée à la vérification de la stabilité des SPRT de référence limités à laboratoires secondaires d’étalonnage de température.

Mise en service d’une cellule à point triple eau – « Méthode Mush »

Comme alternative à la « méthode du canal de mesure », une cellule à eau à point triple peut également être mise en service de manière plus économique et plus efficace dans un calibrateur de température à puits sec. Cette méthode est également appelée « méthode bouillie » et permet également une mesure de température extrêmement précise et peut être utilisée dans de nombreuses applications scientifiques et industrielles.

La première étape consiste à placer soigneusement la cellule à point triple d’eau dans le volume d’étalonnage du puits sec de température. Allumez ensuite le calibrateur de température à puits sec et réglez le point de consigne à -8°C. Il est important de surveiller la température avec un thermomètre dans le canal de mesure de la cellule à eau triple point pendant le processus de refroidissement. Dans ce contexte, nous recommandons d’utiliser un liquide dans le canal de mesure de la cellule eau triple point pour optimiser le transfert thermique, par exemple un mélange d’eau et d’éthanol.

Lorsque la température dans la cellule du point triple de l’eau atteint -6°C, le processus de formation de la couche de glace peut être initié. Pour ce faire, retirez la cellule d’eau à point triple du puits sec de température, secouez-la doucement et observez la glace se former de la surface de l’eau jusqu’au fond de la cellule. Ce processus fait monter la température dans la cellule jusqu’au point triple de l’eau, qui est de 0,01°C.

Pour garantir la stabilité du mélange glace-eau, la cellule peut être refroidie à -6°C pendant 45 minutes supplémentaires. Il est important de noter que lors des mesures au point triple de l’eau, il faut veiller à ce que le manteau de glace ne gèle pas sur le canal de mesure ou sur la paroi de la cellule. Si tel est le cas, vous pouvez décongeler la veste de glace dans la cellule avec une tige métallique et réchauffer la veste extérieure avec la chaleur de vos mains.

Enfin, pour maintenir l’enveloppe de glace de la cellule à point triple d’eau, le point de consigne de température du puits sec doit être réglé à -1°C. Cela garantit que le manteau de glace dans la cellule reste stable et permet des mesures précises.

En résumé, la mise en service d’une cellule à point triple d’eau dans un puits sec à température élevée est un processus complexe mais réalisable. En suivant attentivement les étapes présentées ici, vous pouvez prendre des mesures de température précises et fiables et calibrer les thermomètres.

Comment les points triples d’eau permettent de réduire les coûts et de minimiser les risques

Dans le monde de la thermométrie de précision, où des mesures précises de la température sont essentielles pour une variété d’applications, les cellules à point triple d’eau et les cellules à point de fusion au gallium jouent un rôle clé.

L’utilisation de ces points fixes de température dans les laboratoires de température, en particulier pour les utilisateurs de thermomètres à résistance de platine standard (SPRT) ou de thermomètres à résistance de platine (PRT) industriels de haute qualité, peut réduire les coûts et minimiser les risques.

La valeur des évaluations régulières

Alors que l’utilisation de ces thermomètres de précision repose sur un étalonnage externe par des laboratoires spécialisés en étalonnage de température, la question se pose : que se passe-t-il entre les cycles d’étalonnage ? Les thermomètres peuvent se dégrader lors du transport ou en cas de mauvaise manipulation, ce qui peut entraîner des modifications de leurs valeurs (dérive du thermomètre). Un tel changement, qui n’est détecté qu’au prochain étalonnage, peut avoir des conséquences graves, comme l’éventuelle invalidité de toutes les mesures précédentes, ce qui nécessiterait un rappel de tous les appareils étalonnés. De tels incidents peuvent gravement nuire à la confiance dans l’étalonnage de la température et entraîner des coûts importants. Cependant, ces risques peuvent être minimisés en vérifiant régulièrement les thermomètres au point triple de l’eau et au point de fusion du gallium.

Contrôles au point triple d’eau

La dernière valeur du point triple de l’eau est indiquée dans le certificat d’étalonnage d’un laboratoire d’étalonnage de température accrédité. Après avoir reçu un thermomètre calibré, il convient de le vérifier au point triple de l’eau et de comparer le résultat à cette valeur. Une telle vérification permet une incertitude de mesure inférieure à 0,001°C et constitue une étape essentielle pour garantir la fiabilité du thermomètre entre les étalonnages.

Le point de fusion du gallium : Une autre façon d’évaluer la fiabilité des thermomètres

Le point de fusion du gallium permet de mesurer la valeur de résistance d’un thermomètre à 29,7646°C. Il est facile à manipuler et offre de très faibles incertitudes de mesure. La combinaison du point de fusion du gallium et du point triple de l’eau permet le calcul du rapport de résistance (WGA), valeur cruciale pour évaluer la fiabilité du thermomètre.

Cette valeur dite W est calculée à partir de la résistance actuelle – dans notre cas, la résistance au point de fusion du gallium R(GA) – et de la dernière valeur de résistance connue du thermomètre au point triple de l’eau R(WTP) :

W(GA) = R(GA) / R(WTP)

L’avantage du calcul de la valeur W

La valeur W est une grandeur importante dans la mesure de la température car elle calcule pratiquement la pente de la courbe caractéristique d’un thermomètre. Plus le platine du capteur de température du thermomètre à résistance est pur, plus cette valeur W est élevée.

Certains scénarios peuvent entraîner des modifications dans les performances du thermomètre. Supposons que la valeur de résistance du thermomètre au point triple de l’eau augmente, mais que la valeur W au point de fusion du gallium (WGA) reste constante. Dans de tels cas, cela indique que la courbe caractéristique a été décalée parallèlement. Il s’agit d’une dérive classique du thermomètre. Cet effet de dérive peut se produire en raison de contraintes mécaniques et thermiques. La bonne nouvelle est que ces changements sont souvent réversibles et que l’étalonnage peut corriger ces effets et est donc utile.

Cependant, si la valeur W change (généralement elle diminue), c’est le signe que le thermomètre est contaminé. Malheureusement, ces changements sont souvent irréversibles et, dans de nombreux cas, le thermomètre ne peut plus être calibré.

Des contrôles réguliers du WGA peuvent déterminer la manière dont le thermomètre est soumis à une utilisation quotidienne. Ces contrôles peuvent donc fournir une aide précieuse à la décision quant à savoir si l’étalonnage a du sens ou non. Ils peuvent également contribuer à maximiser la durée de vie et la précision du thermomètre et à éviter les pannes inattendues.

Avantages des mesures régulières au point triple de l’eau et à la valeur W

La mesure régulière des valeurs R(WTP) (résistance au point triple de l’eau) et W(GA) (rapport de la résistance au point triple de l’eau sur la résistance au point de fusion du gallium) offre de nombreux avantages :

Économies de coûts : grâce à des autocontrôles réguliers, les utilisateurs peuvent prolonger les périodes d’étalonnage dans des laboratoires externes accrédités, ce qui entraîne des économies de coûts significatives.

Confiance accrue : Grâce à des contrôles réguliers et ainsi à la confirmation de l’exactitude et de la fiabilité des thermomètres, le niveau de confiance dans le laboratoire est augmenté.

Éviter les erreurs : L’identification et la correction des problèmes potentiels peuvent éviter des mesures erronées qui pourraient autrement entraîner de graves conséquences.

De plus, l’utilisation de points de fusion du gallium et de points triples d’eau dans les laboratoires de température permet une minimisation significative des risques en réduisant le transport de thermomètres pour les étalonnages externes. Cela permet non seulement d’économiser des coûts de transport, mais minimise également le risque d’endommagement des thermomètres.

Il est avantageux pour les utilisateurs de SPRT et de PRT d’avoir accès à leurs propres cellules à point triple d’eau et à point de fusion du gallium. Ils permettent des contrôles et des ajustements réguliers, augmentent la confiance dans la fiabilité des thermomètres et peuvent réduire le besoin d’étalonnages externes ainsi que les coûts et risques associés. Dans un monde où la précision est essentielle, les points triples de l’eau et les points de fusion du gallium constituent un moyen efficace de garantir l’exactitude et la fiabilité de la thermométrie.

Sources

• Walter Blanke : L’échelle internationale de température de 1990 : ITS-90
• Hering, Martin, Stohrer : Physique pour ingénieurs
• Beiz, Grote : Dubbel – livre de poche pour l’ingénierie mécanique
• Thomas Klasmeier : Livre de table « Température », édition 3
• Guide de réalisation de l’ITS-90 – Triple Point d’Eau – Bureau International des Poids et Mesures