Il punto triplo dell’acqua è uno stato particolare in cui l’acqua esiste nei tre stati aggregati (solido, liquido e gassoso) contemporaneamente e in equilibrio termodinamico. Il punto triplo dell’acqua è un’importante temperatura di riferimento per la calibrazione di sensori di temperatura e termometri.

Il punto triplo dell’acqua nel diagramma di fase

Il punto triplo dell’acqua può essere riconosciuto dal diagramma di fase dell’acqua. Questo diagramma mostra i diversi stati (fasi) dell’acqua in diverse condizioni di pressione e temperatura. L’acqua può esistere in tre stati principali: solido (ghiaccio), liquido (acqua) e gassoso (vapore). Il diagramma di fase dell’acqua mostra le condizioni di pressione e temperatura in cui ciascuna di queste fasi è stabile.

Punti e curve importanti nel diagramma di fase dell’acqua:

1. Il punto triplo dell’acqua È il punto in cui si incontrano le curve degli stati solido, liquido e gassoso. Nel punto triplo dell’acqua, tutte e tre le fasi possono esistere contemporaneamente in equilibrio. Il punto triplo dell’acqua è di 0,01°C e 611,657 Pascal. Il punto triplo dell’acqua è caratterizzato da temperatura e pressione è ideale come punto fisso di temperatura per la calibrazione dei termometri.
2. Curva di fusione: la curva di fusione separa lo stato solido dallo stato liquido. Lungo questa linea, il ghiaccio si scioglie in acqua o l’acqua si congela in ghiaccio. Questa transizione di fase può essere utilizzata come punto fisso secondario per calibrare i termometri. Tuttavia, dipende dalla pressione e si trova a circa 0 °C.
3. Curva di ebollizione: questa linea separa lo stato liquido da quello gassoso. Lungo questa linea, l’acqua evapora in vapore o il vapore si condensa in acqua. Il punto di ebollizione può essere utilizzato anche come punto fisso secondario per calibrare i termometri. Il punto di ebollizione dell’acqua a pressione atmosferica è di circa 100°C.
4. Curva di sublimazione: questa linea separa lo stato solido da quello gassoso. Lungo questa linea, l’acqua può sublimare da solido (ghiaccio) direttamente a gassoso (vapore) o viceversa senza passare per lo stato liquido.
5. Punto critico: questo punto segna la fine della curva di ebollizione. Oltre questo punto, le fasi liquida e gassosa non si distinguono più e diventano un fluido supercritico. Per l’acqua, questo punto si trova a circa 374°C e a una pressione di 22,06 MPa.

L’aspetto particolarmente interessante del diagramma di fase dell’acqua è la pendenza negativa della curva di fusione. Ciò significa che il punto di fusione del ghiaccio diminuisce all’aumentare della pressione. Si tratta di un fenomeno insolito e diverso dalla maggior parte delle altre sostanze. Questo spiega anche perché il ghiaccio galleggia sull’acqua.

Messa in funzione di una cella a triplo punto per l’acqua – “metodo del canale di misura”

Il metodo standard per preparare una camicia di ghiaccio intorno al canale di misurazione di una cella a triplo punto è il “metodo del canale di misurazione”. In questo caso, la camicia di ghiaccio si forma dall’interno verso l’esterno raffreddando il canale di misura. A seconda del refrigerante utilizzato (CO2 solida frantumata, refrigeratore a immersione con tubo di calore, asta raffreddata con azoto liquido o azoto liquido), si possono utilizzare diverse varianti, che possono essere riassunte come segue:

1. CO2 solida frantumata: il canale di misurazione viene riempito con CO2 solida frantumata fino alla superficie dell’acqua nella cella e tale CO2 viene aggiunta fino a formare un mantello dello spessore desiderato. Prima della CO2 viene aggiunto circa 1 ml di etanolo per favorire il trasferimento di calore e la formazione di un manto più spesso sul fondo.
2. Raffreddatore a immersione con tubo di calore: per prima cosa, nel canale di misurazione vengono aggiunti circa 1 ml di etanolo e 5 ml di CO2 solida finemente frantumata per promuovere la nucleazione dei cristalli e uno strato più spesso sul fondo e per proteggere l’acqua nella cella dal superraffreddamento. Il raffreddatore a immersione viene quindi inserito nel canale di misurazione e lo spazio tra il canale di misurazione e il tubo di calore viene riempito di etanolo. Inizia un ciclo di conduzione del calore e si forma il mantello di ghiaccio.
3. Asta raffreddata con azoto liquido: il canale di misurazione viene riempito di etanolo e viene inserita un’asta metallica pre-raffreddata in azoto liquido. Sono necessarie diverse ripetizioni per creare una guaina sufficiente.
4. Azoto liquido: questa variante può avere diverse sottovarianti. Nella maggior parte dei casi, il freddo viene immesso nel canale di misurazione della cella a triplo punto ad acqua attraverso un tubo di calore con un refrigeratore contenente l’azoto liquido.

In tutte le varianti sopra descritte, la cella a triplo punto ad acqua deve essere preventivamente raffreddata a una temperatura prossima a 0 °C. Durante il processo di raffreddamento, bisogna fare attenzione che non si formi un ponte di ghiaccio solido sulla superficie superiore. È inoltre essenziale rimuovere tutta l’acqua dal canale di misurazione prima di preparare la camicia di ghiaccio, ad esempio risciacquando con etanolo ad alta purezza.

Il tempo necessario per la formazione del mantello dipende dalla variante selezionata: circa 30 minuti per le varianti 1 e 3, 60 minuti o più per la variante 2, da 10 a 120 minuti per la variante 4.

Utilizzando un metodo alternativo e non standardizzato noto come “metodo Mush”, il mantello di ghiaccio viene formato dall’esterno verso l’interno. Sebbene questo metodo presenti dei vantaggi pratici (può essere eseguito su un calibratore di temperatura industriale) e abbia dimostrato di concordare con il “metodo del canale di misurazione” con un’approssimazione di 0,1 mK, il suo utilizzo è normalmente limitato alla verifica della stabilità degli SPRT di riferimento nei laboratori di calibrazione della temperatura secondaria.

Messa in funzione di una cella a triplo punto per l’acqua – “metodo Mush”

In alternativa al “metodo del canale di misurazione” , una cella a triplo punto ad acqua può essere utilizzata in modo più economico in un calibratore a blocco di temperatura. Questo metodo, noto anche come “metodo della poltiglia”, consente di misurare la temperatura in modo estremamente preciso e può essere utilizzato in molte applicazioni scientifiche e industriali.

Il primo passo consiste nel posizionare con cura la cella a triplo punto d’acqua nel volume di calibrazione del calibratore a blocco di temperatura. Poi accendi il calibratore a blocco di temperatura e imposta il valore target a -8°C. È importante monitorare la temperatura con un termometro nel canale di misurazione della cella a triplo punto ad acqua durante il processo di raffreddamento. In questo contesto, ti consigliamo di utilizzare un liquido nel canale di misurazione della cella a triplo punto ad acqua per ottimizzare il trasferimento di calore, ad esempio una miscela di acqua ed etanolo.

Quando la temperatura della cella a triplo punto d’acqua raggiunge i -6°C, è possibile avviare il processo di formazione del manto di ghiaccio. A tal fine, rimuovi la cella a triplo punto d’acqua dal calibratore a blocco di temperatura, scuotila con cura e osserva come si forma il ghiaccio dalla superficie dell’acqua al fondo della cella. Questo processo porta a un aumento della temperatura nella cella fino al punto triplo dell’acqua, che è di 0,01°C.

Per garantire la stabilità della miscela ghiaccio-acqua, la cella può essere raffreddata a -6°C per altri 45 minuti. È importante notare che durante le misurazioni al punto triplo dell’acqua, bisogna fare attenzione che la camicia di ghiaccio non si congeli al canale di misurazione o alla parete della cella. In questo caso, puoi scongelare la camicia di ghiaccio nella cella con una bacchetta di metallo e riscaldare la camicia esterna con il calore della mano.

Infine, per mantenere il mantello di ghiaccio della cella a triplo punto d’acqua, il setpoint del calibratore del blocco di temperatura deve essere impostato su -1°C. In questo modo si garantisce che il mantello di ghiaccio nella cella rimanga stabile e che siano possibili misurazioni accurate.

In sintesi, la messa in funzione di una cella a triplo punto ad acqua in un calibratore a blocco termico è un processo complesso ma fattibile. Seguendo attentamente i passaggi qui presentati, potrai effettuare misurazioni della temperatura accurate e affidabili e calibrare i termometri.

Come i punti tripli dell’acqua fanno risparmiare sui costi e minimizzano i rischi

Nel mondo della termometria di precisione, dove la misurazione accurata della temperatura è essenziale per una serie di applicazioni, le celle a triplo punto d’acqua e le celle a punto di fusione al gallio giocano un ruolo fondamentale.

L’utilizzo di questi punti fissi di temperatura nei laboratori di temperatura, soprattutto per gli utenti di termometri a resistenza di platino standard (SPRT) o di termometri a resistenza di platino industriali di alta qualità (PRT), può far risparmiare sui costi e minimizzare i rischi.

Il valore delle revisioni periodiche

Sebbene l’uso di questi termometri di precisione si basi sulla calibrazione esterna da parte di laboratori specializzati nella calibrazione della temperatura, sorge spontanea la domanda: cosa succede tra un ciclo di calibrazione e l’altro? I termometri possono essere danneggiati durante il trasporto o la manipolazione impropria, il che può portare a cambiamenti nei loro valori (deriva del termometro). Tale cambiamento, che viene rilevato solo durante la calibrazione successiva, può avere gravi conseguenze, come la possibile invalidazione di tutte le misurazioni precedenti, che richiederebbe il richiamo di tutti i dispositivi calibrati. Questi incidenti possono compromettere gravemente la fiducia nella calibrazione della temperatura e causare costi considerevoli. Tuttavia, questi rischi possono essere ridotti al minimo controllando regolarmente i termometri al punto triplo dell’acqua e al punto di fusione del gallio.

Controlli nel punto triplo dell’acqua

Il certificato di calibrazione di un laboratorio accreditato per la calibrazione della temperatura riporta l’ultimo valore del punto triplo dell’acqua. Dopo aver ricevuto un termometro calibrato, è necessario controllarlo al punto triplo dell’acqua e confrontare il risultato con questo valore. Questo controllo consente un’incertezza di misura inferiore a 0,001°C ed è un passo essenziale per garantire l’affidabilità del termometro tra una calibrazione e l’altra.

Il punto di fusione del gallio: un altro modo per valutare l’affidabilità dei termometri

Il punto di fusione del gallio consente di misurare il valore di resistenza di un termometro a 29,7646°C. È facile da usare e offre incertezze di misurazione molto basse. La combinazione del punto di fusione del gallio e del punto triplo dell’acqua permette di calcolare il rapporto di resistenza (WGA), un valore decisivo per valutare l’affidabilità del termometro.

Questo cosiddetto valore W viene calcolato a partire dalla resistenza attuale – nel nostro caso la resistenza al punto di fusione del gallio R(GA) – e dall’ultimo valore di resistenza noto del termometro al punto triplo dell’acqua R(WTP):

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

I vantaggi del calcolo del valore W

Il valore W è un parametro importante nella misurazione della temperatura, in quanto calcola praticamente il gradiente della curva caratteristica di un termometro. Più il platino del sensore di temperatura della termoresistenza è puro, più il valore W è alto.

Ci sono alcuni scenari che possono portare a cambiamenti nelle prestazioni del termometro. Supponiamo che il valore di resistenza del termometro al punto triplo dell’acqua aumenti, ma che il valore W al punto di fusione del gallio (WGA) rimanga costante. In questi casi, ciò indica che la curva caratteristica è stata spostata in parallelo. Si tratta della classica deriva del termometro. Questo effetto di deriva può verificarsi a causa di stress meccanici e termici. La buona notizia è che questi cambiamenti sono spesso reversibili e la calibrazione può correggere questi effetti ed è quindi utile.

Tuttavia, se il valore W cambia (in genere diminuisce), questo indica che il termometro è contaminato. Purtroppo, tali cambiamenti sono spesso irreversibili e in molti casi il termometro non può più essere calibrato.

Controlli regolari del WGA possono determinare come il termometro viene caricato durante il funzionamento quotidiano. Questi controlli possono quindi essere un valido aiuto per decidere se la calibrazione è consigliabile o meno. Inoltre, possono aiutare a massimizzare la durata e l’accuratezza del termometro e a evitare guasti imprevisti.

Vantaggi della misurazione regolare del punto triplo dell’acqua e del valore W

La misurazione regolare dei valori R(WTP) (resistenza al punto triplo dell’acqua) e W(GA) (rapporto tra la resistenza al punto triplo dell’acqua e la resistenza al punto di fusione del gallio) offre una serie di vantaggi:

Risparmio sui costi: gli autocontrolli regolari consentono agli utenti di prolungare i periodi di calibrazione presso laboratori esterni accreditati, con un notevole risparmio sui costi.

Aumento della fiducia: I controlli regolari, e quindi la conferma dell’accuratezza e dell’affidabilità dei termometri, aumentano il livello di fiducia nel laboratorio.

Evitare gli errori: identificando e correggendo i potenziali problemi, è possibile evitare misurazioni errate che potrebbero altrimenti portare a gravi conseguenze.

Inoltre, l’uso dei punti di fusione del gallio e dei punti tripli dell’acqua nei laboratori di temperatura consente di minimizzare notevolmente i rischi, riducendo il trasporto dei termometri per le calibrazioni esterne. In questo modo non solo si risparmiano i costi di trasporto, ma si riduce anche il rischio di danneggiare i termometri.

Per gli utenti di SPRT e PRT è vantaggioso avere accesso alle proprie celle per il punto triplo dell’acqua e per il punto di fusione del gallio. Queste celle consentono di effettuare controlli e regolazioni regolari, aumentano la fiducia nell’affidabilità dei termometri e possono ridurre la necessità di calibrazioni esterne e i costi e i rischi associati. In un mondo in cui la precisione è fondamentale, i punti tripli d’acqua e i punti di fusione al gallio rappresentano un modo efficace per garantire l’accuratezza e l’affidabilità della termometria.

Fonti

• Walter Blanke: La scala internazionale di temperatura del 1990: ITS-90
• Hering, Martin, Stohrer: Fisica per ingegneri
• Beiz, Grote: Dubbel – Libro tascabile per l’ingegneria meccanica
• Thomas Klasmeier: libro da tavolo “Temperatura”, edizione 3
• Guida alla realizzazione dell’ITS-90 – Punto triplo dell’acqua – Bureau International des Poids et Mesures