Punkt krytyczny - fizyka - Polski Serwis Naukowy

Punkt krytyczny to warunki krytyczne definiujące stan układu fizycznego oddzielające stany o odmiennych właściwościach (ciecz - para nasycona), w którym nie można rozróżnić obu stanów (cieczy i pary nasyconej). Na przykład:

dla czystych substancji - gazów punkt krytyczny oznacza temperaturę krytyczną (i odpowiadające mu ciśnienie krytyczne, czyli maksymalne ciśnienie nad daną cieczą), powyżej której nie można skroplić gazu niezależnie od wielkości ciśnienia. Jest to punkt krytyczny trójwymiarowy (układ o 3 stopniach swobody translacji - 3D). Parametry krytyczne oznacza się często indeksem "cr", "c" lub "kr", czasami z dodatkiem "2D" ("2") lub "3D" ("3") w zależności od tego jakiego układu dotyczą, np. T3c. Dla gazów parametry krytyczne można określić na podstawie współczynników odpowiedniego równania stanu, np. równanie van der Waalsa,

w przypadku gazów zaadsorbowanych na powierzchni (układ 2-wymiarowy) warunki krytyczne będą się różniły. Podobnie dla pewnych innych zjawisk związanych z dwoma wymiarami (2D). Wiele tzw. przejść fazowych również zachodzi jedynie w warunkach powyżej lub poniżej pewnych wartości krytycznych, np. gęstości, temperatury, ciśnienia.

punkt krytyczny dla ciekłych układów wieloskładnikowych oznacza stan w którym zanika różnica pomiędzy współistniejącymi fazami ciekłymi - dla wielu mieszanin ciekłych istnieją obszary (określone przede wszystkim przez krytyczne temperatury), w których istnieje całkowita mieszalność oraz obszary, gdzie istnieje ograniczenie rozpuszczalności, a więc w pewnym przedziale stężeń współistnieją (zwykle dwie) odrębne fazy - np. faza A nasycona składnikiem B oraz faza B nasycona składnikiem A.

Stałe krytyczne

Gaz van der Waalsa

Dla gazu, którego stan może być opisany za pomocą równania van der Waalsa, parametry krytyczne zwane też stałymi krytycznymi, wyraża się poprzez parametry tego równania:

Stan nadkrytyczny - jest to taki stan danej substancji, w którym temperatura i ciśnienie są większe od ciśnienia i temperatury punktu krytycznego danej substancji.

Temperatura krytyczna – temperatura, powyżej której zanika różnica gęstości między stanem gazowym a ciekłym danej substancji, a w związku z tym niemożliwe jest skroplenie gazu pomimo wzrostu ciśnienia. Mówi się, że taka substancja znajduje się w stanie nadkrytycznym.

$T_{cr} = \frac{8 a}{27 b R}$ – temperatura krytyczna $p_{cr} = \frac{a}{27 b^{2}}$ – ciśnienie krytyczne $V_{cr} = 3 b\,$ – (molowa) objętość krytyczna

gdzie:

$R$ – (uniwersalna) stała gazowa

$T$ – temperatura

$a, b$ parametry równania van der Waalsa:

$\left(p + \frac{a}{V_{m}^{2}}\right)(V_{m}-b) = RT$ gdzie:

$p$ – ciśnienie

$V_{m}$ – objętość molowa

Ciecze o ograniczonej mieszalności

Warunki krytyczne dla cieczy o ograniczonej mieszalności określają temperatury:

górna temperatura krytyczna – jeżeli istnieje temperatura, powyżej której ciecze stają się całkowicie mieszalne

dolna temperatura krytyczna – jeżeli istnieje temperatura, poniżej której ciecze stają się całkowicie mieszalne

Zredukowane stałe krytyczne

Bardzo często wielkości fizyczne charakteryzujące określony stan materii wyraża się względem parametrów krytycznych, podając tzw. parametry zredukowane (często oznaczane gwiazdką *), np.:

Punkt krytyczny wody (temperatura krytyczna wody) to temperatura, powyżej której faza lotna wody staje się gazem. W stanie krytycznym ciepło parowania oraz napięcie powierzchniowe wody są równe zeru. Powyżej temperatury krytycznej niemożliwe jest skroplenie wody, bez względu na ciśnienie.

Gaz rzeczywisty – pojęcie termodynamiczne oznaczające gaz, który nie zachowuje się ściśle zgodnie z prawami ustalonymi dla gazu doskonałego. W praktyce są to wszystkie gazy istniejące w realnym świecie, aczkolwiek przybliżenie gazu doskonałego może w wielu warunkach być do nich z powodzeniem zastosowane. Przybliżenie to zawodzi jednak w skrajnych warunkach, oraz gdy istnieje potrzeba dokonania bardzo dokładnych obliczeń w warunkach zbliżonych do normalnych.

Temperatura zredukowana:

$T^{*} = \frac{T}{T_{cr}}$

Gęstość zredukowana:

$\rho^{*} = \frac{\rho}{\rho_{cr}}$

Ciśnienie zredukowane:

$p^{*} = \frac{p}{p_{cr}}$

Objętość (molowa) zredukowana:

$V^{*} = \frac{V}{V_{cr}}$

Wykorzystywanie wielkości parametrów zredukowanych pozwala łatwo określić "odległość" danego układu od warunków krytycznych i stwierdzić jakiego rodzaju model fizyczny zjawisk należy stosować.

Ciecz – stan skupienia materii – pośredni między ciałem stałym a gazem, w którym ciało fizyczne trudno zmienia objętość, a łatwo zmienia kształt. Wskutek tego ciecz przyjmuje kształt naczynia, w którym się znajduje, ale w przeciwieństwie do gazu nie rozszerza się, aby wypełnić je całe. Powierzchnia styku cieczy z gazem lub próżnią nazywa się powierzchnią swobodną cieczy.

Układ fizyczny - układ (wyodrębniony, realnie lub jedynie myślowo, fragment rzeczywistości), w postaci obiektu fizycznego lub zbioru takich obiektów. Może on być oddzielony od otoczenia wyraźnymi granicami, które są powierzchniami nieciągłości określonych wielkości fizycznych, charakteryzujących układ. W znaczeniu używanym w mechanice klasycznej to przede wszystkim zbiór ciał.

Temperatury krytyczne niektórych związków chemicznych:

woda, H2O: 374 °C

amoniak, NH3: 132,4 °C

tlen, O2: −118,8 °C

wodór, H2: −240 °C

Zobacz też

punkt krytyczny wody

stan nadkrytyczny