Was ist der Wassertripelpunkt?

Der Tripelpunkt von Wasser ist für die Genauigkeit von Temperaturmessungen auf der ganzen Welt von entscheidender Bedeutung. Dieses natürliche Phänomen bildet die Grundlage für wissenschaftliche Standards und ist heute für Messtechniker in den verschiedensten Branchen unverzichtbar. Da er präzise und reproduzierbar ist, gewährleistet er globale Konsistenz bei Kalibrierungen und ist somit ein wichtiger Motor für Innovationen in der Technologie und für wissenschaftliche Entdeckungen.

In diesem Artikel erläutern wir, was ein Tripelpunkt ist, was der Tripelpunkt von Wasser ist, was ihn wichtig macht und wie er Temperaturmessungen und Kalibrierungsprogrammen zugutekommt.

Was ist der Tripelpunkt einer Substanz?

Zu jedem Stoff wie Wasser, Stickstoff oder Zink gibt es ein Phasendiagramm, d. h. eine grafische Darstellung des Stoffes in seinen verschiedenen Aggregatzuständen (fest, flüssig, gasförmig) und den Übergängen zwischen diesen Zuständen, die durch Änderungen der Temperatur und des Drucks verursacht werden.

Im Phasendiagramm werden die Übergänge zwischen den Zuständen durch verschiedene Kurven dargestellt. Der Tripelpunkt ist die Stelle, an der sich die Phasenübergangskurven treffen. Er markiert die einzige Kombination von Temperatur und Druck, bei der alle drei Phasen gemeinsam vorliegen. Auf diesem substanzunabhängigen Beispiel eines Phasendiagramms ist der Tripelpunkt markiert:

Mit anderen Worten ist der Tripelpunkt eines Stoffes die spezifische Kombination aus Temperatur und Druck, bei der die drei Zustände eines Stoffes – seine feste, flüssige und gasförmige Phase – im thermodynamischen Gleichgewicht koexistieren.

Dieser Zustand wird durch die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Substanz bestimmt, wodurch jedes Material einen ihm eigenen Tripelpunkt hat. Beispielsweise liegt der Tripelpunkt von Kohlendioxid bei -56,6 °C und 5,1 Standardatmosphären (atm). Der Tripelpunkt von Neon hingegen liegt bei -248,59 °C und 0,428 atm. Viele Substanzen haben Tripelpunkt-Temperaturen oder -Drücke, die für die Verwendung als Temperaturreferenzen unpraktisch sind. Argon und Quecksilber haben jedoch beide Tripelpunkte, die von Fachleuten als Messreferenzstandard verwendet werden: Der Tripelpunkt von Argon liegt bei -189,344 °C und 0,680 atm, der Tripelpunkt von Quecksilber bei -38,834 °C und 1,63×10^-9 atm.

Was ist der Wassertripelpunkt?

Der Tripelpunkt von Wasser tritt bei einer Temperatur von 0,01 °C und einem Druck von 0,00603659 atm auf, was der Dampfdruck von Wasser bei dieser Temperatur ist. An diesem Schnittpunkt von Temperatur und Druck sind Wassermoleküle in einem einzigartigen Gleichgewicht aus festem Eis, flüssigem Wasser und Wasserdampf vorhanden.

Im Phasendiagramm von Wasser ist der Tripelpunkt der Schnittpunkt von drei Kurven, die die Übergänge zwischen folgenden Phasen darstellen:

• Eis und flüssiges Wasser (Schmelzen/Gefrieren).
• Flüssiges Wasser und Dampf (Verdampfung/Kondensation).
• Eis und Dampf (Sublimation/Deposition).

Dieser Schnittpunkt ist einer der bedeutendsten und präzisesten Referenzpunkte in der Thermodynamik. Tatsächlich ist der Tripelpunkt von Wasser ein wichtiger Bezugspunkt sowohl für die Definition der Temperatur als auch für praktische Anwendungen der Temperaturmessung. Das liegt daran, dass Wasser weitreichend verfügbar ist, sich der Wassertripelpunkt relativ einfach reproduzieren lässt und die Tripelpunkttemperatur von Wasser einen angemessenen Trennpunkt zwischen niedrigen und hohen Temperaturen auf der Temperaturskala darstellt.

Im Jahr 1954 nahm die Generalkonferenz für Maße und Gewichte (CGPM, Conférence Générale des Poids et Mesures) das Kelvin (K) offiziell in das Internationale Einheitensystem (SI) auf, indem sie die Tripelpunkttemperatur von Wasser auf 273,16 K festlegte. Die CGPM definierte auch die Einheit Kelvin selbst als 273,16-ten Teil des Tripelpunkts von Wasser. Mit dieser Entscheidung legte sie einen universellen Standard für Temperaturmessungen fest, und diese natürliche Konstante diente für mehr als sechs Jahrzehnte als unveränderlicher Anker für die Messtechnik.

Im Jahr 2019 verabschiedete die internationale Wissenschaftsgemeinschaft jedoch eine neue Definition des Kelvin, laut der nicht mehr der Wassertripelpunkt die Grundlage bildet, sondern die Boltzmann-Konstante, wodurch die Temperatur direkter mit der Grundlagenphysik verbunden wurde.

Während der Tripelpunkt des Wassers nicht mehr offiziell die Definitionsgrundlage der Kelvin-Skala ist, hat er doch deutliche Spuren hinterlassen. Kalibrierlabore verwenden weiterhin Wassertripelpunktzellen und andere Fixpunktzellen für die präzise Temperaturkalibrierung.

Realisierung des Tripelpunkts und Tripelpunktzellen

Der Wassertripelpunkt wird in der Natur, wenn überhaupt, nur selten erreicht. Um Wasser an den Tripelpunkt zu bringen, setzen die Anwender daher auf die Realisierung des Tripelpunkts, um Bedingungen zu schaffen, bei denen alle drei Phasen von Wasser (fest, flüssig und gasförmig) vorliegen. Dieser Prozess findet in einer Tripelpunktzelle statt. Bei diesem spezialisierten Gerät handelt es sich in der Regel um einen versiegelten Glasbehälter mit reinem, sauerstofffreiem Wasser. Der Anwender kühlt die Zelle auf etwa 0 °C herunter und füllt dann zerkleinertes Trockeneis oder setzt ein Kühlgerät, z. B. einen Tauchgefrierer Fluke Quick Stik, in den inneren Kanal der Zelle ein, sodass sich eine Eisschicht bildet. 

Kalibrierlabore verwenden Tripelpunktzellen wie die Wassertripelpunktzelle Fluke 5901, um die für die Realisierung des Tripelpunkts erforderlichen Bedingungen aufrechtzuerhalten.

Wassertripelpunktzellen müssen mit höchster Sorgfalt hergestellt werden, damit die richtigen Bedingungen für eine präzise Temperaturmessung vorliegen. Dabei muss folgendes beachtet werden:

• Isotopische Zusammensetzung: Bei standardmäßigen Wassertripelpunktzellen wird Wasser verwendet, das der Definition des Internationalen Büros für Maß und Gewicht (BIPM, Bureau International des Poids et Mesures) für den Wassertripelpunkt entspricht, die Wasser mit einer spezifischen isotopischen Zusammensetzung erfordert. So können beispielsweise Abweichungen in der isotopischen Zusammensetzung des Wassers, wie z. B. der Deuteriumgehalt, die Tripelpunkttemperatur leicht verschieben.
• Wasserreinheit: Selbst winzige Verunreinigungen können die Bedingungen verändern, die notwendig sind, um die korrekte Tripelpunkttemperatur des Wassers zu erreichen. Typische Verunreinigungen im Wasser wie Natrium, Sauerstoff oder Stickstoff können bereits bei Verunreinigungsgraden im Millionstelbereich (ppm) zu Fehlern bei der Tripelpunkttemperatur führen.

Was macht den Tripelpunkt des Wassers für Kalibrierungen wichtig?

Der Wassertripelpunkt ist für Kalibrierungen und Temperaturmessungen von großer Bedeutung und findet vielfältig Anwendung. Zu den gängigsten allgemeinen Anwendungen des Wassertripelpunkts und anderer Tripelpunktzellen in der Kalibrierung gehören:

• Temperaturkalibrierung: Wassertripelpunktzellen und andere Fixpunktzellen dienen als Goldstandard für die Kalibrierung von Thermometern, einschließlich von Standard-Platin-Widerstandsthermometern (SPRT, Standard Platinum Resistance Thermometer).
• Gerätevalidierung: Im Labor stellen Messtechniker die Genauigkeit der Referenzthermometer sicher, indem sie diese regelmäßig in Wassertripelpunktzellen überprüfen. So können Messtechniker sicherstellen, dass nachfolgende Kalibrierungen von digitalen Sensoren und hochpräzisen Temperaturmessfühlern zuverlässig sind.
• Erreichen niedriger Unsicherheiten: Wassertripelpunktzellen erreichen Messunsicherheiten von nur 0,0001 °C und sind daher unverzichtbar in Branchen, in denen zuverlässige, hochpräzise Temperaturmessungen erforderlich sind, wie beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt, der Arzneimittelherstellung und der modernen Fertigung.

Diese allgemeinen Anwendungen sind in vielen Branchen überaus nützlich. Beispiele:

• Luft- und Raumfahrt: Ingenieure verwenden Kalibrierungen, die auf Wassertripelpunktzellen und anderen Fixpunktzellen basieren, um sicherzustellen, dass die Materialien von Raumfahrzeugen extremen thermischen Bedingungen standhalten und unter ihnen funktionieren.
• Pharmaindustrie: Die präzise Temperaturüberwachung während der Formulierung von Arzneimitteln zur Vermeidung kostspieliger Abweichungen basiert auf der Verifizierung mithilfe des Wassertripelpunkts und der Fixpunktkalibrierung.
• Kryotechnik: Der Wassertripelpunkt dient als Basis für die Kalibrierung von Instrumenten, die in der kryotechnischen Forschung verwendet werden, bei der Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt erreicht werden. Seine geringe Unsicherheit gewährleistet präzise Messungen unter diesen extremen Bedingungen.

Fragen und Antworten: Erläuterungen zum Tripelpunkt von Wasser

Was macht den Tripelpunkt von Wasser im Vergleich zu anderen Substanzen einzigartig?

Der Wassertripelpunkt weist mehrere Eigenschaften als Fixpunkt auf, die ihn zu einem einzigartigen Temperaturfixpunkt machen. Seine Reproduzierbarkeit, Stabilität, Verfügbarkeit und Nähe zum Mittelpunkt der Temperaturskala sind Gründe, warum Fachleute und Wissenschaftler auch heute noch auf ihn setzen. Fachleute verwenden ihn als Definitionspunkt für Temperaturskalen, zur Festlegung der SI-Temperatureinheit (Kelvin) und als praktischen Temperaturpunkt in Kalibrierlaboren.

Wie wird der Wassertripelpunkt in Laboren aufrechterhalten?

Laborwissenschaftler verwenden Wassertripelpunktzellen, um den Wassertripelpunkt zu realisieren und bestimmte Messgeräte ordnungsgemäß zu kalibrieren. Wissenschaftler und Fachleute bewahren diese Tripelpunktzellen in Kalibrier-Nährlösungen oder einfach in isolierten Behältern auf, die mit zerstoßenem Eis und Wasser gefüllt sind, um die für das Auftreten des Wassertripelpunkts erforderlichen Bedingungen aufrechtzuerhalten. Einige dieser Aufbewahrungsvorrichtungen können eine WTP-Zelle wochen- oder sogar monatelang am Tripelpunkt halten. Andere können den Tripelpunkt schnell erreichen, ihn aber nur für einige Stunden aufrechterhalten.

Warum liegt der Wassertripelpunkt knapp über 0 °C?

0,01 °C ist der Temperaturwert, bei der alle drei Zustände von Wasser gleichzeitig vorliegen. 0 °C dagegen ist der Schmelzpunkt von Wasser bei Standarddruck (1 atm) auf Meereshöhe.

Der Tripelpunkt von Wasser ist nicht nur ein wissenschaftliches Wunder, sondern eine praktische Notwendigkeit für die Temperaturkalibrierung und -messung. Seine präzisen und reproduzierbaren Bedingungen gewährleisten branchenübergreifende Genauigkeit, von der Arzneimittelherstellung bis zur Luft- und Raumfahrtindustrie.

In welcher Beziehung steht der Wassertripelpunkt zur Kelvinskala?

Bis 2019 diente der Wassertripelpunkt als Grundlage für das Kelvin, die SI-Einheit für Temperatur, und die Kelvin-Temperaturskala. Im Jahr 2019 änderte die internationale Wissenschaftsgemeinschaft die Grundlage für die Definition des Kelvin vom Wassertripelpunkt zur Boltzmann-Konstante.

Unabhängig von der jüngsten Änderung der Definition des Kelvin bleibt der Wassertripelpunkt durch seine Präzision und Reproduzierbarkeit ein zuverlässiger Referenzstandard. Mit Kalibrierwerkzeugen wie Wassertripelpunktzellen können Wissenschaftler und Messtechniker Referenzthermometer sorgfältig kalibrieren, um die Einhaltung internationaler Temperaturdefinitionen und -normen zu gewährleisten und zuverlässige, qualitativ hochwertige Temperaturmessungen sicherzustellen.

Welche gängigen Missverständnisse über den Tripelpunkt von Wasser gibt es?

Ein weit verbreiteter Irrtum ist, dass der Tripelpunkt unter alltäglichen Bedingungen auftreten kann. Tatsächlich erfordert der Wassertripelpunkt einen sehr spezifischen Druck und eine Temperatur von genau 0,01 °C. Diese Bedingungen liegen außerhalb kontrollierter Labore normalerweise nicht vor.

Ein weiteres Missverständnis betrifft die erforderliche Reinheit des Wassers. Der Tripelpunkt gilt ausschließlich für reines Wasser mit einer standardisierten Isotopenzusammensetzung. Verunreinigungen oder Abweichungen in den Isotopenverhältnissen, wie beispielsweise höhere Deuteriumkonzentrationen, können die Tripelpunkttemperatur verschieben. Deshalb werden bei der Konstruktion von Tripelpunktzellen Verunreinigungen mit größter Sorgfalt Verunreinigungen vermieden und eine gleichbleibende Isotopenzusammensetzung sichergestellt.

Und schließlich glauben einige, dass der Tripelpunkt nur für Wasser gilt. Obwohl er bekanntlich mit Wasser in Verbindung gebracht wird, hat jeder Stoff einen eigenen Tripelpunkt. Allerdings ist der Wassertripelpunkt aufgrund der einzigartigen Eigenschaften von Wasser für die Messtechnik und Thermodynamik besonders wichtig.

Was macht den Wassertripelpunkt für industrielle Anwendungen über die Kalibrierung hinaus wichtig?

Während die Kalibrierung nach wie vor eine der Hauptanwendungen des Wassertripelpunkts ist, erstreckt sich seine Bedeutung auch auf Branchen, in denen präzise Phasenübergänge entscheidend sind.

Im Bereich der Kryotechnik dient der Tripelpunkt als Referenztemperatur, um Wissenschaftlern bei der Untersuchung von Materialien und Prozessen bei extrem niedrigen Temperaturen zu helfen. Seine Stabilität und Reproduzierbarkeit ermöglichen es Forschern, bei hochempfindlichen Experimenten zuverlässige Ergebnisse zu erzielen.

In der Arzneimittelfertigung sind mit Wassertripelpunktzellen überprüfte Thermometer ein wesentlicher Bestandteil der Gefriertrocknung, die zur Konservierung von Medikamenten und biologischen Materialien eingesetzt wird. Durch die präzise Steuerung von Temperatur und Druck stellen Hersteller sicher, dass Wasser direkt von Eis zu Dampf übergeht, ohne die Flüssigkeitsphase zu durchlaufen, und erhalten so die strukturelle Integrität des Produkts.

Die Luft- und Raumfahrtindustrie ist ebenfalls auf mit dem Tripelpunkt kalibrierte Instrumente angewiesen, um sicherzustellen, dass Raumfahrzeugkomponenten unter extremen thermischen Bedingungen zuverlässig funktionieren. Diese Anwendungen demonstrieren die Vielseitigkeit des Tripelpunkts, die über seine grundlegende Funktion für Primärnorm-Kalibrierlabore hinausgeht.

Was macht den Tripelpunkt von Wasser im Vergleich zu anderen Substanzen einzigartig?

Der Wassertripelpunkt ist aufgrund seiner praktischen Anwendbarkeit als Referenzstandard im Vergleich zu anderen Substanzen ein einzigartiges natürliches Normal. Es ist relativ einfach, Wasser auf den richtigen Isotopen- und Reinheitsgrad zu bringen, und es gibt Tripelpunktzellen und Geräte, mit denen sich die richtige Temperatur in ihnen leicht aufrechterhalten lässt. Die Tripelpunkte vieler anderer Stoffe sind aufgrund extremer Temperatur- oder Druckanforderungen schwer zu reproduzieren; ihre Realisierung kann erheblich mehr Kosten verursachen als eine Wassertripelpunktzelle.