El punto triple del agua es un estado especial en el que el agua existe en los tres estados físicos (sólido, líquido y gaseoso) simultáneamente y en equilibrio termodinámico. El punto triple del agua es una temperatura de referencia importante para calibrar sensores de temperatura y termómetros.

El punto triple del agua en el diagrama de fases.

El punto triple del agua se puede reconocer en el diagrama de fases del agua. Esto representa los diferentes estados (fases) del agua bajo diferentes condiciones de presión y temperatura. El agua puede existir en tres estados principales: sólido (hielo), líquido (agua) y gaseoso (vapor). El diagrama de fases del agua muestra bajo qué condiciones de presión y temperatura cada una de estas fases es estable.

Puntos y curvas importantes en el diagrama de fases del agua:

1. El punto triple del agua Aquí se encuentran las curvas de los estados sólido, líquido y gaseoso. En este punto triple del agua, las tres fases pueden existir en equilibrio al mismo tiempo. Para el agua, el punto triple es 0,01°C y 611,657 pascales. Dado que el punto triple del agua está definido por la temperatura y la presión , es ideal como punto de temperatura fijo para calibrar termómetros.
2. Curva de fusión : La curva de fusión separa el estado sólido del estado líquido. En esta línea, el hielo se derrite y se convierte en agua o el agua se congela y se convierte en hielo. Esta transición de fase se puede utilizar como punto fijo secundario para calibrar termómetros. Sin embargo, depende de la presión y ronda los 0 °C.
3. Curva de ebullición : Esta línea separa el estado líquido del estado gaseoso. En esta línea, el agua se evapora en vapor o el vapor se condensa en agua. El punto de ebullición también se puede utilizar como punto fijo secundario para calibrar termómetros. El punto de ebullición del agua es de unos 100 °C a presión atmosférica.
4. Curva de sublimación : Esta línea separa el estado sólido del gaseoso. En esta línea, el agua puede sublimar desde sólido (hielo) directamente a gaseoso (vapor) o viceversa sin pasar por el estado líquido.
5. Punto crítico : Este punto marca el final de la curva de ebullición. Más allá de este punto, las fases líquida y gaseosa ya no se pueden distinguir y se convierten en un fluido supercrítico. Para el agua, este punto ronda los 374°C y una presión de 22,06 MPa.

Lo que es particularmente notable en el diagrama de fases del agua es la pendiente negativa de la curva de fusión. Esto significa que a medida que aumenta la presión, el punto de fusión del hielo disminuye. Esto es inusual y diferente de la mayoría de los otros tejidos. También explica por qué el hielo flota sobre el agua.

Puesta en marcha de una celda de punto triple de agua: «método del canal de medición»

El método estándar para preparar una capa de hielo alrededor del canal de medición de una celda de punto triple de agua es el «método del canal de medición». La capa de hielo se forma de adentro hacia afuera enfriando el canal de medición. Dependiendo del refrigerante utilizado (CO2 sólido triturado, enfriador de inmersión con tubo de calor, varilla enfriada con nitrógeno líquido o nitrógeno líquido), se pueden aplicar diferentes variantes, que se pueden resumir de la siguiente manera:

1. CO2 sólido triturado : El canal de medición se llena con CO2 sólido triturado hasta la superficie del agua en la celda y dicho CO2 se agrega hasta que se forma una camisa del espesor deseado. Se agrega aproximadamente 1 ml de etanol antes del CO2 para promover la transferencia de calor y un manto más grueso en el fondo.
2. Enfriador de inmersión con tubo de calor : Primero, se añaden aproximadamente 1 ml de etanol y 5 ml de CO2 sólido finamente triturado al canal de medición para promover la nucleación de los cristales y una cubierta más gruesa en el fondo y para proteger el agua de la celda de la hipotermia. A continuación se inserta el refrigerador de inmersión en el canal de medición y el espacio entre el canal de medición y el tubo de calor se llena con etanol. Comienza un ciclo de conducción de calor y se forma el manto de hielo.
3. Varilla enfriada con nitrógeno líquido : El canal de medición se llena con etanol y se inserta una varilla metálica preenfriada en nitrógeno líquido. Son necesarias varias repeticiones para crear una capa suficiente.
4. Nitrógeno líquido : Esta variante puede tener diferentes subvariantes. El frío se conduce normalmente al canal de medición de la celda de punto triple de agua a través de un tubo de calor con un refrigerador en el que se encuentra el nitrógeno líquido.

En todas las variantes descritas anteriormente, la celda de agua de punto triple debe preenfriarse a una temperatura cercana a 0 °C. Durante el proceso de enfriamiento, se debe tener cuidado para garantizar que no se forme un puente sólido de hielo en la superficie superior. También es esencial eliminar toda el agua del canal de medición antes de preparar la camisa de hielo, por ejemplo enjuagándola con etanol de alta pureza.

El tiempo necesario para la formación de una capa de hielo depende de la variante elegida: unos 30 minutos para las variantes 1 y 3, 60 minutos o más para la variante 2, de 10 a 120 minutos para la variante 4.

Utilizando un método alternativo, no estándar, conocido como “método de papilla”, el manto de hielo se forma de afuera hacia adentro. Aunque este método tiene ventajas prácticas (se puede realizar en un calibrador de temperatura industrial de pozo seco) y se ha demostrado que concuerda con el «método del canal» dentro de 0,1 mK, su uso generalmente se limita a verificar la estabilidad de los SPRT de referencia limitados a Laboratorios secundarios de calibración de temperatura.

Puesta en marcha de una celda de agua de punto triple – «Método Mush»

Como alternativa al “método del canal de medición”, en un calibrador de temperatura de pozo seco también se puede utilizar de forma más económica y eficiente una celda de punto triple de agua. Este método también se denomina «método papilla» y también permite una medición de temperatura extremadamente precisa y puede usarse en muchas aplicaciones científicas e industriales.

El primer paso es colocar con cuidado la celda de punto triple de agua en el volumen de calibración del pozo de temperatura seca. Luego encienda el calibrador de temperatura de pozo seco y establezca el punto de ajuste en -8°C. Es importante controlar la temperatura con un termómetro en el canal de medición de la celda de punto triple del agua durante el proceso de enfriamiento. En este contexto, recomendamos utilizar un líquido en el canal de medición de la celda de punto triple de agua para optimizar la transferencia de calor, por ejemplo una mezcla de agua y etanol.

Cuando la temperatura en la celda de punto triple del agua alcanza los -6°C, se puede iniciar el proceso de formación de la capa de hielo. Para hacer esto, retire la celda de punto triple de agua del pozo seco de temperatura, agítela suavemente y observe el hielo que se forma desde la superficie del agua hasta el fondo de la celda. Este proceso hace que la temperatura en la celda aumente hasta el punto triple del agua, que es 0,01°C.

Para garantizar la estabilidad de la mezcla de hielo y agua, la celda se puede enfriar a -6 °C durante 45 minutos más. Es importante tener en cuenta que durante las mediciones en el punto triple del agua, se debe tener cuidado para garantizar que la capa de hielo no se congele en el canal de medición o en la pared de la celda. Si este es el caso, puedes descongelar la capa de hielo de la celda con una varilla de metal y calentar la capa exterior con el calor de las manos.

Finalmente, para mantener la capa de hielo de la celda de punto triple de agua, el punto de ajuste de la temperatura del pozo seco debe establecerse en -1°C. Esto garantiza que la capa de hielo de la celda permanezca estable y permite realizar mediciones precisas.

En resumen, poner en marcha una celda de punto triple de agua en un calibrador de pozo seco de temperatura es un proceso complejo pero factible. Si sigue cuidadosamente los pasos que se presentan aquí, podrá tomar mediciones de temperatura precisas y confiables y calibrar termómetros.

Cómo los puntos triples de agua ahorran costes y minimizan riesgos

En el mundo de la termometría de precisión, donde las mediciones precisas de temperatura son esenciales para una variedad de aplicaciones, las celdas de punto triple de agua y las celdas de punto de fusión de galio desempeñan un papel clave.

El uso de estos puntos fijos de temperatura en laboratorios de temperatura, especialmente para usuarios de termómetros de resistencia de platino estándar (SPRT) o termómetros de resistencia de platino industriales (PRT) de alta calidad, puede ahorrar costos y minimizar riesgos.

El valor de las revisiones periódicas

Si bien el uso de estos termómetros de precisión depende de la calibración externa realizada por laboratorios especializados en calibración de temperatura, surge la pregunta: ¿Qué sucede entre los ciclos de calibración? Los termómetros pueden degradarse durante el transporte o si se manipulan incorrectamente, lo que puede provocar cambios en sus valores (deriva del termómetro). Un cambio de este tipo, que no se detecta hasta la siguiente calibración, puede tener consecuencias graves, como la posible invalidación de todas las mediciones anteriores, lo que requeriría la retirada de todos los dispositivos calibrados. Estos incidentes pueden afectar gravemente a la confianza en la calibración de la temperatura e incurrir en costes significativos. Sin embargo, estos riesgos se pueden minimizar revisando periódicamente los termómetros en el punto triple del agua y en el punto de fusión del galio.

Comprobaciones en el punto triple del agua.

El último valor del punto triple del agua figura en el certificado de calibración de un laboratorio de calibración de temperatura acreditado. Después de recibir un termómetro calibrado, se debe verificar en el punto triple del agua y comparar el resultado con este valor. Dicha verificación permite una incertidumbre de medición inferior a 0,001 °C y es un paso esencial para garantizar la confiabilidad del termómetro entre calibraciones.

El punto de fusión del galio: otra forma de evaluar la fiabilidad de los termómetros

El punto de fusión del galio permite medir el valor de resistencia de un termómetro a 29,7646°C. Es fácil de manejar y ofrece incertidumbres de medición muy bajas. La combinación del punto de fusión del galio y el punto triple del agua permite calcular la relación de resistencia (WGA), un valor crucial para evaluar la fiabilidad del termómetro.

El llamado valor W se calcula a partir de la resistencia actual (en nuestro caso, la resistencia en el punto de fusión del galio R(GA)) y el último valor de resistencia conocido del termómetro en el punto triple del agua R(WTP):

W(GA) = R(GA) / R(DAP)

El beneficio del cálculo del valor W

El valor W es una magnitud importante en la medición de la temperatura porque prácticamente calcula la pendiente de la curva característica de un termómetro. Cuanto más puro sea el platino del sensor de temperatura de la termorresistencia, mayor será este valor W.

Existen ciertos escenarios que pueden provocar cambios en el rendimiento del termómetro. Supongamos que el valor de resistencia del termómetro en el punto triple del agua aumenta, pero el valor W en el punto de fusión del galio (WGA) permanece constante. En tales casos esto indica que la curva característica se ha desplazado paralelamente. Esta es la clásica desviación del termómetro. Este efecto de deriva puede ocurrir debido a tensiones mecánicas y térmicas. La buena noticia es que estos cambios suelen ser reversibles y la calibración puede corregir estos efectos y, por tanto, es útil.

Sin embargo, si el valor W cambia (normalmente disminuye), esto es una señal de que el termómetro está contaminado. Desafortunadamente, estos cambios a menudo no son reversibles y en muchos casos el termómetro ya no se puede calibrar.

Los controles periódicos del WGA pueden determinar cómo se esfuerza el termómetro en el uso diario. Por lo tanto, estas comprobaciones pueden proporcionar una valiosa ayuda para tomar decisiones sobre si la calibración tiene sentido o no. También pueden ayudar a maximizar la vida útil y la precisión del termómetro y evitar fallas inesperadas.

Ventajas de las mediciones periódicas en el punto triple del agua y el valor W

La medición periódica de los valores R(WTP) (resistencia en el punto triple del agua) y W(GA) (relación entre la resistencia en el punto triple del agua y la resistencia en el punto de fusión del galio) ofrece una serie de ventajas:

Ahorro de costos: a través de autoverificaciones periódicas, los usuarios pueden extender los períodos de calibración en laboratorios externos acreditados, lo que genera importantes ahorros de costos.

Mayor confianza: mediante controles periódicos y, por tanto, la confirmación de la precisión y fiabilidad de los termómetros, se aumenta el nivel de confianza en el laboratorio.

Evitar errores: identificar y corregir problemas potenciales puede evitar mediciones erróneas que, de otro modo, podrían tener consecuencias graves.

Además, el uso de puntos de fusión de galio y puntos triples de agua en laboratorios de temperatura permite una importante minimización de riesgos al reducir el transporte de termómetros para calibraciones externas. Esto no sólo ahorra costes de transporte, sino que también minimiza el riesgo de dañar los termómetros.

Es ventajoso para los usuarios de SPRT y PRT tener acceso a sus propias celdas de punto triple de agua y de punto de fusión de galio. Permiten controles y ajustes periódicos, aumentan la confianza en la confiabilidad de los termómetros y pueden reducir la necesidad de calibraciones externas y los costos y riesgos asociados. En un mundo donde la precisión es fundamental, los puntos triples de agua y los puntos de fusión de galio proporcionan una manera efectiva de garantizar la precisión y confiabilidad en la termometría.

Fuentes

• Walter Blanke: La escala internacional de temperatura de 1990: ITS-90
• Hering, Martin, Stohrer: Física para ingenieros
• Beiz, Grote: Dubbel – libro de bolsillo para la ingeniería mecánica
• Thomas Klasmeier: Libro de mesa “Temperatura”, edición 3
• Guía para la realización del ITS-90 – Punto Triple del Agua – Bureau International des Poids et Mesures