O ponto triplo da água é um estado especial em que a água existe nos três estados da matéria (sólido, líquido e gasoso) simultaneamente e em equilíbrio termodinâmico. O ponto triplo da água é uma temperatura de referência importante para calibrar sensores de temperatura e termômetros.

O ponto triplo da água no diagrama de fases

O ponto triplo da água pode ser reconhecido pelo diagrama de fases da água. Isto representa os diferentes estados (fases) da água sob diferentes condições de pressão e temperatura. A água pode existir em três estados principais: sólido (gelo), líquido (água) e gasoso (vapor). O diagrama de fases da água mostra as condições de pressão e temperatura sob as quais cada uma dessas fases é estável.

Pontos e curvas importantes no diagrama de fases da água:

1. O Ponto Triplo da Água É aqui que as curvas para os estados sólido, líquido e gasoso se encontram. Neste ponto triplo da água, todas as três fases podem existir em equilíbrio ao mesmo tempo. Para a água, o ponto triplo é de 0,01°C e 611,657 pascals. Uma vez que o ponto triplo da água é definido pela temperatura e pressão , é ideal como um ponto fixo de temperatura para calibrar termómetros.
2. Curva de fusão: A curva de fusão separa o estado sólido do estado líquido. Ao longo desta linha, o gelo derrete em água ou congela a água em gelo. Esta transição de fase pode ser usada como um ponto fixo secundário para calibrar termómetros. No entanto, depende da pressão e ronda os 0 °C.
3. Curva de ebulição: Esta linha separa o estado líquido do estado gasoso. Ao longo desta linha, a água evapora em vapor ou condensa vapor em água. O ponto de ebulição também pode ser usado como um ponto fixo secundário para calibrar termômetros. O ponto de ebulição da água à pressão atmosférica é de cerca de 100 °C.
4. Curva de sublimação: Esta linha separa o estado sólido do estado gasoso. Ao longo desta linha, a água pode sublimar de sólido (gelo) diretamente para gasoso (vapor) ou vice-versa sem passar pelo estado líquido.
5. Ponto crítico: Este ponto marca o fim da curva de ebulição. Além deste ponto, as fases líquida e gasosa não podem mais ser distinguidas, e elas se tornam um líquido supercrítico. Para a água, este ponto é de cerca de 374°C e uma pressão de 22,06 MPa.

Particularmente notável sobre o diagrama de fases da água é a inclinação negativa da curva de fusão. Isso significa que, sob pressão crescente, o ponto de fusão do gelo cai. Este é incomum e diferente da maioria dos outros tecidos. Também explica por que o gelo flutua na água.

Comissionamento de uma célula de ponto triplo de água – “Método do Canal de Medição”

O método padrão para preparar um manto de gelo em torno do canal de medição de uma célula de três pontos de água é o “método do canal de medição”. Aqui, o manto de gelo é formado do interior para o exterior, arrefecendo o canal de medição. Dependendo do refrigerante utilizado (CO2 sólido triturado, refrigerador de imersão com tubo de calor, haste resfriada com nitrogênio líquido ou nitrogênio líquido), diferentes variantes podem ser usadas, que podem ser resumidas da seguinte forma:

1. CO2 sólido triturado: O canal de medição é preenchido com CO2 sólido triturado à superfície da água na célula e esse CO2 é adicionado até que uma camisa da espessura desejada seja formada. Adicionam-se cerca de 1 ml de etanol antes do CO2 para promover a transferência de calor e uma camada mais espessa no fundo.
2. Refrigerador de imersão com tubo de calor: Primeiro, cerca de 1 ml de etanol e 5 ml de CO2 sólido finamente triturado são adicionados ao canal de medição para promover a nucleação do cristal e uma camada mais espessa no fundo e proteger a água da célula da hipotermia. O refrigerador de imersão é então inserido no canal de medição e o espaço entre o canal de medição e o tubo de calor é preenchido com etanol. Um ciclo de condução de calor começa, e o manto de gelo se forma.
3. Vareta resfriada com nitrogênio líquido: O canal de medição é preenchido com etanol e uma haste de metal pré-resfriada em nitrogênio líquido é inserida. Várias repetições são necessárias para criar uma pelagem suficiente.
4. Azoto líquido: Esta variante pode ter diferentes subvariantes. Na maioria dos casos, o frio é conduzido através de um tubo de calor com um refrigerador, no qual o nitrogênio líquido está localizado, no canal de medição da célula de três pontos de água.

Em todas as variantes acima descritas, a célula de triplo ponto de água deve ser pré-arrefecida a uma temperatura próxima de 0 °C antecipadamente. Durante o processo de arrefecimento, deve ter-se o cuidado de assegurar que não é criada nenhuma ponte sólida de gelo na superfície superior. Além disso, é essencial remover toda a água do canal de medição antes de preparar o manto de gelo, por exemplo, enxaguando com etanol de alta pureza.

O tempo necessário para formar um manto de gelo depende da variante escolhida: cerca de 30 minutos para as variantes 1 e 3, 60 minutos ou mais para a variante 2, 10 a 120 minutos para a variante 4.

Usando um método alternativo e não padronizado conhecido como “método mush”, o manto de gelo é formado de fora para dentro. Embora este método tenha vantagens práticas (pode ser realizado num calibrador de bloco de temperatura industrial) e tenha demonstrado ser consistente com o “método do canal de medição” até 0,1 mK, a sua utilização limita-se geralmente à verificação da estabilidade de SPRTs de referência em laboratórios de calibração de temperatura secundária.

Comissionamento de uma célula de ponto triplo de água – “Método Mush”

Como alternativa ao “método do canal de medição”, uma célula de ponto triplo de água também pode ser colocada em operação de forma mais eficiente economicamente em um calibrador de bloco de temperatura. Este método também é chamado de “método mush” e também permite a medição de temperatura extremamente precisa e pode ser usado em muitas aplicações científicas e industriais.

O primeiro passo é colocar cuidadosamente a célula de ponto triplo de água no volume de calibração do calibrador de bloco de temperatura. Em seguida, ligue o calibrador de bloco de temperatura e defina o setpoint para -8°C. É importante monitorar a temperatura durante o processo de resfriamento com um termômetro no canal de medição da célula de ponto triplo de água. Neste contexto, recomendamos o uso de um líquido no canal de medição da célula de ponto triplo de água para otimizar a transferência de calor, por exemplo, uma mistura de água e etanol.

Quando a temperatura na célula de ponto triplo da água atinge -6°C, o processo de formação do manto de gelo pode ser iniciado. Para fazer isso, retire a célula de ponto triplo de água do calibrador de bloco de temperatura, agite-a suavemente e observe como o gelo se forma da superfície da água até o fundo da célula. Este processo leva a um aumento da temperatura na célula para o ponto triplo da água, que é de 0,01°C.

Para garantir a estabilidade da mistura gelo-água, a célula pode ser resfriada a -6°C por mais 45 minutos. É importante notar que, durante as medições no ponto triplo da água, deve-se tomar cuidado para garantir que o manto de gelo não congele no canal de medição ou na parede da célula. Se este for o caso, você pode descongelar o manto de gelo na célula com uma haste de metal e aquecer a jaqueta externa com o calor da mão.

Finalmente, a fim de preservar o manto de gelo da célula de ponto triplo de água, o ponto de ajuste do calibrador de bloco de temperatura deve ser ajustado para -1°C. Isso garante que o manto de gelo permaneça estável na célula e permite medições precisas.

Em resumo, o comissionamento de uma célula de ponto triplo de água em um calibrador de bloco de temperatura é um processo complexo, mas viável. Seguindo cuidadosamente os passos aqui apresentados, você será capaz de fazer medições de temperatura precisas e confiáveis e os termômetros serão calibrados.

Como a água triplica pontos economiza custos e minimiza riscos

No mundo da termometria de precisão, onde medições precisas de temperatura são essenciais para uma ampla gama de aplicações, as células de ponto triplo de água e as células de ponto de fusão de gálio desempenham um papel fundamental.

O uso desses pontos fixos de temperatura em laboratórios de temperatura, especialmente para usuários de termômetros de resistência de platina padrão (SPRT) ou termômetros industriais de resistência à platina (PRT) de alta qualidade, pode economizar custos e minimizar riscos.

O Valor das Revisões Periódicas

Embora o uso desses termômetros de precisão dependa da calibração externa por laboratórios especializados em calibração de temperatura, surge a pergunta: o que acontece entre os ciclos de calibração? Os termómetros podem ser afetados durante o transporte ou se não forem manuseados corretamente, o que pode levar a alterações nos seus valores (desvio do termómetro). Tal alteração, que só é detetada durante a próxima calibração, pode ter consequências graves, como a possível invalidade de todas as medições anteriores, o que exigiria um recall de todos os equipamentos calibrados. Tais incidentes podem afetar gravemente a confiança na calibração da temperatura e incorrer em custos significativos. No entanto, estes riscos podem ser minimizados através da verificação regular dos termómetros no ponto triplo da água e no ponto de fusão do gálio.

Verificações no ponto triplo da água

O certificado de calibração de um laboratório de calibração de temperatura acreditado indica o último valor do ponto triplo da água. Após receber um termômetro calibrado, ele deve ser verificado no ponto triplo da água e o resultado comparado com este valor. Esta verificação permite uma incerteza de medição inferior a 0,001°C e é um passo essencial para garantir a fiabilidade do termómetro entre calibrações.

O ponto de fusão do gálio: outra maneira de avaliar a confiabilidade dos termômetros

O ponto de fusão do gálio permite medir o valor de resistência de um termómetro a 29,7646°C. É fácil de manusear e oferece incertezas de medição muito baixas. A combinação do ponto de fusão do gálio e do ponto triplo da água permite o cálculo da razão de resistência (WGA), um valor crucial para avaliar a fiabilidade do termómetro.

Este chamado valor W é calculado a partir da resistência da corrente – no nosso caso, a resistência no ponto de fusão do gálio R(GA) – e do último valor de resistência conhecido do termómetro no ponto triplo de água R(WTP):

W(GA) = R(GA) / R(ETAR)

Os benefícios do cálculo do valor W

O valor W é um parâmetro importante na medição de temperatura, pois praticamente calcula a inclinação da curva característica de um termômetro. Quanto mais pura for a platina do sensor de temperatura do RTD, maior será este valor W.

Existem certos cenários que podem levar a alterações no desempenho do termómetro. Vamos supor que o valor de resistência do termômetro no ponto triplo da água aumente, mas o valor W no ponto de fusão do gálio (WGA) permanece constante. Nesses casos, isso indica que a curva característica foi deslocada um paralelo. Este é o clássico termômetro deriva. Este efeito de deriva pode ocorrer devido a tensões mecânicas e térmicas. A boa notícia é que tais mudanças são muitas vezes reversíveis, e a calibração pode corrigir esses efeitos e, portanto, é útil.

No entanto, se o valor de W mudar (normalmente diminui), isso é um sinal de que o termômetro está contaminado. Infelizmente, essas alterações muitas vezes não são reversíveis e, em muitos casos, o termómetro já não é calibravelável.

Inspeções regulares do WGA podem determinar como o termômetro é carregado na operação diária. Essas verificações podem, portanto, fornecer um valioso auxílio para a tomada de decisões sobre se a calibração faz sentido ou não. Eles também podem ajudar a maximizar a vida útil e a precisão do termômetro e evitar falhas inesperadas.

Vantagens da medição regular no triplo ponto de água e valor W

A medição regular dos valores R(ETA) (resistência no ponto triplo da água) e W(GA) (relação entre a resistência no ponto triplo da água e a resistência no ponto de fusão do gálio) oferece uma série de vantagens:

Redução de custos: Através de autoverificações regulares, os usuários podem estender os períodos de calibração em laboratórios externos credenciados, resultando em economias de custos significativas.

Maior confiança: Inspeções regulares e, portanto, a confirmação da precisão e confiabilidade dos termômetros reforçam o nível de confiança no laboratório.

Prevenção de erros: Ao identificar e corrigir potenciais problemas, é possível evitar medições erradas que, de outra forma, poderiam levar a consequências graves.

Além disso, o uso de pontos de fusão de gálio e pontos triplos de água em laboratórios de temperatura permite uma minimização significativa do risco, reduzindo o transporte de termômetros para calibrações externas. Isso não só economiza custos de transporte, mas também minimiza o risco de danos aos termômetros.

É vantajoso para os usuários de SPRTs e PRTs ter acesso a suas próprias células de ponto triplo de água e ponto de fusão de gálio. Eles permitem verificações e ajustes regulares, aumentam a confiança na confiabilidade do termômetro e podem reduzir a necessidade de calibrações externas e os custos e riscos associados. Em um mundo onde a precisão é crítica, os pontos triplos de água e os pontos de fusão de gálio fornecem uma maneira eficaz de garantir precisão e confiabilidade na termometria.

Fontes

• Walter Blanke: A Escala Internacional de Temperatura de 1990: ITS-90
• Hering, Martin, Stohrer: Física para Engenheiros
• Beiz, Grote: Dubbel – Taschenbuch für den Maschinenbau
• Thomas Klasmeier: Table Book “Temperatura”, Edição 3
• Guia para a Realização do ITS-90 – Ponto Triplo de Água – Bureau International des Poids et Mesures