نقطه بحرانی بخار آب نقطه بحرانی ایزوترم های تجربی و نظری

| | |
نقطه بحرانی- ترکیبی از مقادیر دما و فشار (یا به طور معادل حجم مولی) که در آن تفاوت در خواص فازهای مایع و گاز یک ماده از بین می رود.

دمای بحرانی انتقال فاز - مقدار دما در نقطه بحرانی بالاتر از دمای بحرانی، گاز نمی تواند در هیچ فشاری متراکم شود.

معنای فیزیکی

در نقطه بحرانی، چگالی مایع و بخار اشباع آن برابر می شود و کشش سطحی مایع به صفر می رسد، بنابراین مرز فاز مایع و بخار ناپدید می شود.

برای مخلوطی از مواد، دمای بحرانی نیست مقدار ثابتو می تواند با یک منحنی فضایی (بسته به نسبت اجزای تشکیل دهنده) نشان داده شود. نقاط افراطیکه دماهای بحرانی مواد خالص - اجزای مخلوط مورد نظر هستند.

نقطه بحرانی در نمودار فاز یک ماده مربوط به نقاط محدود کننده در منحنی های تعادل فاز در مجاورت نقطه است، تعادل فاز مختل می شود و از دست دادن ثبات ترمودینامیکی در چگالی ماده رخ می دهد. در یک طرف نقطه بحرانی ماده همگن است (معمولاً در) و از طرف دیگر به مایع و بخار جدا می شود.

در مجاورت نقطه، پدیده های بحرانی مشاهده می شود: به دلیل افزایش اندازه های مشخصه نوسانات چگالی، پراکندگی نور هنگام عبور از یک ماده به شدت افزایش می یابد - زمانی که اندازه نوسانات به صدها نانومتر می رسد، یعنی. ، طول موج های نور، ماده مات می شود - مات شدن بحرانی آن مشاهده می شود. افزایش نوسانات همچنین منجر به افزایش جذب صدا و افزایش پراکندگی آن، تغییر در شخصیت می شود. حرکت براونی، ناهنجاری های ویسکوزیته، هدایت حرارتی، کاهش سرعت در برقراری تعادل حرارتی و غیره.

در این معمولی نمودار فازمرز بین فازهای مایع و گاز به صورت منحنی نشان داده می شود که از نقطه سه گانه شروع می شود و در نقطه بحرانی به پایان می رسد.

داستان

پدیده حالت بحرانی ماده برای اولین بار در سال 1822 توسط چارلز کاگنیارد د لا تور کشف شد و در سال 1860 توسط D.I. تحقیقات سیستماتیک با کار توماس اندروز آغاز شد. در عمل، پدیده نقطه بحرانی را می توان هنگام گرم کردن مایعی که تا حدی یک لوله مهر و موم شده را پر می کند مشاهده کرد. همانطور که مینیسک گرم می شود، به تدریج انحنای خود را از دست می دهد، بیشتر و بیشتر صاف می شود و زمانی که دمای بحرانی به دست می آید، دیگر قابل تشخیص نیست.

پارامترهای نقاط بحرانی برخی از مواد

ماده
واحدها	کلوین ها	اتمسفرها	cm³/mol
هیدروژن	33,0	12,8	61,8
اکسیژن	154,8	50,1	74,4
عطارد	1750	1500	44
اتانول	516,3	63,0	167
دی اکسید کربن	304,2	72,9	94,0
آب	647	218,3	56
نیتروژن	126.25	33,5
آرگون	150.86	48,1
برم	588	102
هلیوم	5.19	2,24
ید	819	116
کریپتون	209.45	54,3
زنون	289.73	58
آرسنیک	1673
نئون	44.4	27,2
رادون	378
سلنیوم	1766
گوگرد	1314
فسفر	994
فلوئور	144.3	51,5
کلر	416.95	76

نقاط بحرانی نه تنها برای مواد خالص، بلکه در برخی موارد برای مخلوط آنها وجود دارد و پارامترهای از دست دادن پایداری مخلوط (با جداسازی فاز) - محلول (یک فاز) را تعیین می کند. نمونه ای از چنین مخلوطی مخلوط فنل و آب است.

بر اساس برخی داده ها، گازهای ساده در نقطه بحرانی، دارای خاصیت فشرده شدن به چگالی های فوق العاده بالا بدون افزایش فشار هستند، مشروط به حفظ دقیق دمایی برابر با نقطه بحرانی و درجه خلوص بالا (مولکول های گاز خارجی تبدیل می شوند. هسته های انتقال به فاز گازی، که منجر به افزایش فشار بهمن مانند می شود). به عبارت دیگر، این ماده مانند یک گاز فشرده می شود، اما فشاری برابر با فشار یک مایع حفظ می کند. اجرای این اثر در عمل امکان ذخیره سازی گاز فوق متراکم را فراهم می کند.

حالات ترمودینامیکی ماده
جامد	اجسام آمورف (وضعیت شیشه ای) کریستال ها (کریستالیت پلی کریستالی تک بلوری) جامد ابر سیال
مایع	مایع کوانتومی مایع فوق بحرانی فوق‌گرم شده (Superfluidity) کریستال مایع
گاز	بخار گاز منحط
پلاسما	الکترومغناطیسی کوارک-گلئون گلاسما
سیستم های پراکنده	محلول های ژل (آئروژل) سیستم های کلوئیدی درشت پراکنده کلوئیدی آزاد پراکنده دود سول امولسیون تعلیق
انتقال فاز	فاز ترمودینامیکی ذوب تبلور تصعید تصعید تبخیر جوش تبخیر میعان نقطه بحرانی
همچنین ببینید	شرایط عادی و استاندارد فرمی - آمار دیراک معادله حالت

نقطه بحرانی (ترمودینامیک) اطلاعات در مورد

حالت فوق بحرانی ماده برای اولین بار توسط Cagniard de la Tour در سال 1822 با حرارت دادن مایعات مختلف در یک توپ فلزی کاملاً بسته کشف شد (شکل کروی به گونه ای انتخاب شد که ظرف بتواند حداکثر فشار ممکن را تحمل کند). در داخل توپ، علاوه بر مایع، او یک سنسور ساده - یک سنگریزه کوچک - قرار داد. با تکان دادن توپ در طول فرآیند گرم کردن، Cagniard de la Tour دریافت که صدای منتشر شده توسط سنگریزه هنگام برخورد با دیواره توپ در یک لحظه به شدت تغییر می کند - کسل کننده و ضعیف تر می شود. برای هر مایع، این اتفاق در دمای کاملاً مشخصی رخ می‌دهد که به آن نقطه کانارا د لا تور (Canara de la Tour) می‌گویند. علاقه واقعی به پدیده جدید در سال 1869 پس از آزمایشات T. Andrews به وجود آمد. او با انجام آزمایش‌هایی در لوله‌های شیشه‌ای با دیواره ضخیم، خواص CO 2 را مطالعه کرد که به راحتی با افزایش فشار به مایع تبدیل می‌شود. در نتیجه، او دریافت که در دمای 31 درجه سانتیگراد و 7.2 مگاپاسکال، منیسک، مرز جداکننده مایع و فضای پر از گاز، ناپدید می‌شود و کل حجم به طور یکنواخت با مایع مادی سفید شیری پر می‌شود. با افزایش بیشتر دما، به سرعت شفاف و متحرک می‌شود و از جت‌هایی که دائماً در جریان هستند شبیه نهرها است. هوای گرمروی یک سطح گرم شده افزایش بیشتر دما و فشار منجر به تغییرات قابل مشاهده نشد.

او نقطه ای را که در آن چنین انتقالی رخ می دهد بحرانی و وضعیت ماده واقع در بالای این نقطه را فوق بحرانی نامید. علیرغم این واقعیت که از نظر ظاهری شبیه مایع است، اکنون از یک اصطلاح خاص برای استفاده از آن استفاده می شود - سیال فوق بحرانی (از کلمه انگلیسیسیال، یعنی "قابلیت جریان یافتن"). در ادبیات مدرن، نام اختصاری سیالات فوق بحرانی SCF است.

نقطه بحرانی

هنگامی که دما یا فشار تغییر می کند، انتقال متقابل رخ می دهد: جامد - مایع - گاز، به عنوان مثال، هنگامی که گرم می شود، یک جامد با افزایش دما یا کاهش فشار به مایع تبدیل می شود، مایع به گاز تبدیل می شود. همه این انتقال ها معمولاً برگشت پذیر هستند. در نمای کلیآنها در شکل ارائه شده اند:

موقعیت خطوطی که نواحی حالت‌های گازی، مایع و جامد را مشخص می‌کنند، و همچنین موقعیت نقطه سه‌گانه‌ای که این سه ناحیه در آن همگرا می‌شوند، برای هر ماده متفاوت است. منطقه فوق بحرانی از نقطه بحرانی شروع می شود (که با یک ستاره مشخص می شود)، که مطمئناً با دو پارامتر مشخص می شود - دما و فشار (همان نقطه جوش). کاهش دما یا فشار زیر سطح بحرانی، ماده را از حالت فوق بحرانی خارج می کند.

واقعیت وجود یک نقطه بحرانی این امکان را فراهم می کند که بفهمیم چرا برخی از گازها، به عنوان مثال، هیدروژن، نیتروژن، اکسیژن، برای مدت طولانی نمی توانند با فشار افزایش یافته به شکل مایع به دست بیایند، به همین دلیل است که قبلا آنها را دائمی می نامیدند. گازها (لات. permanentis - دائمی). از شکل بالا می توان دریافت که ناحیه وجود فاز مایع در سمت چپ خط دمای بحرانی قرار دارد. بنابراین، برای مایع شدن هر گاز، ابتدا باید تا دمایی کمتر از دمای بحرانی خنک شود. گازهایی مانند CO 2 یا Cl 2 دارای دمای بحرانی بالاتر از دمای اتاق (به ترتیب 31 درجه سانتیگراد و 144 درجه سانتیگراد) هستند، بنابراین فقط با افزایش فشار می توان آنها را در دمای اتاق مایع کرد. نیتروژن دمای بحرانی بسیار کمتری نسبت به دمای اتاق دارد: -239.9 درجه سانتیگراد، بنابراین، اگر نیتروژن را در شرایط عادی فشرده کنید (نقطه شروع زرددر شکل زیر)، در نهایت می توان به منطقه فوق بحرانی رسید، اما نیتروژن مایع نمی تواند تشکیل شود. لازم است ابتدا نیتروژن زیر دمای بحرانی (نقطه سبز) خنک شود و سپس با افزایش فشار، به منطقه ای که امکان وجود مایع وجود دارد - نقطه قرمز (. حالت جامدنیتروژن فقط در فشارهای بسیار بالا امکان پذیر است، بنابراین ناحیه مربوطه در شکل نشان داده نشده است:

وضعیت برای هیدروژن و اکسیژن نیز مشابه است (دماهای بحرانی به ترتیب -118.4 درجه سانتیگراد، -147 درجه سانتیگراد)، بنابراین قبل از مایع سازی ابتدا آنها را تا دمای زیر دمای بحرانی خنک می کنند و تنها پس از آن فشار افزایش می یابد.

حالت فوق بحرانی

برای اکثر مواد مایع و گاز ممکن است، فقط لازم است که این ماده در دمای بحرانی تجزیه نشود. موادی که چنین حالتی برای آنها به راحتی قابل دستیابی است (یعنی دما و فشار نسبتاً پایین مورد نیاز است) در نمودار نشان داده شده است:

در مقایسه با مواد نشان داده شده، نقطه بحرانی برای آب به دست می آید با سختی زیاد: tcr = 374.2 درجه سانتیگراد و pcr = 21.4 MPa.

از اواسط دهه 1880، نقطه بحرانی به طور جهانی به عنوان یک پارامتر فیزیکی مهم یک ماده شناخته شده است، درست مانند نقطه ذوب یا جوش. چگالی SCF استثنایی کم است، به عنوان مثال، آب به شکل SCF دارای چگالی سه برابر کمتر از شرایط عادی است. همه SCF ها ویسکوزیته بسیار پایینی دارند.

سیالات فوق بحرانی تلاقی بین مایع و گاز هستند. آنها می توانند مانند گازها فشرده شوند (مایعات معمولی عملاً تراکم ناپذیر هستند) و در عین حال قادر به حل کردن جامدات هستند که برای گازها معمول نیست. اتانول فوق بحرانی (در دمای بالاتر از 234 درجه سانتیگراد) به راحتی برخی از نمکهای معدنی (CoCl 2، KBr، KI) را حل می کند. دی اکسید کربن، اکسید نیتروژن، اتیلن و برخی گازهای دیگر در حالت SCF توانایی حل بسیاری از مواد آلی - کافور، اسید استئاریک، پارافین و نفتالین را به دست می آورند. خواص CO 2 فوق بحرانی به عنوان یک حلال قابل تنظیم است - با افزایش فشار، توانایی انحلال آن به شدت افزایش می یابد:

آزمایشات انجام شده برای مشاهده بصری حالت فوق بحرانی خطرناک بودند، زیرا هر آمپول شیشه ای قادر به تحمل فشار ده ها مگاپاسکال نیست. بعداً، به منظور تعیین لحظه ای که یک ماده به سیال تبدیل می شود، به جای مشاهدات بصری در لوله های شیشه ای، آنها به تکنیکی نزدیک به تکنیک استفاده شده توسط Cagniard de la Tour بازگشتند. با استفاده از تجهیزات ویژه، آنها شروع به اندازه گیری سرعت صوت در محیط مورد مطالعه در لحظه رسیدن به نقطه بحرانی، یعنی سرعت انتشار کردند امواج صوتیبه شدت سقوط می کند

کاربرد SCF.

در اواسط دهه 1980، کتاب های مرجع حاوی اطلاعاتی در مورد پارامترهای حیاتی صدها ماده معدنی و آلی بودند، اما خواص غیر معمول SCF هنوز مورد استفاده قرار نگرفت.

سیالات فوق بحرانی تنها در دهه 1980 به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفتند سطح عمومیتوسعه صنعت این امکان را فراهم کرد که تاسیسات برای به دست آوردن SCF به طور گسترده در دسترس باشد. از آن لحظه به بعد، توسعه فشرده فناوری های فوق بحرانی آغاز شد. محققان در درجه اول بر روی حلالیت بالای SCF تمرکز کرده اند. در مقایسه با روش های سنتی، استفاده از سیالات فوق بحرانی بسیار موثر بوده است. SCF نه تنها حلال های خوبی هستند، بلکه موادی با ضریب انتشار بالا هستند. آنها به راحتی به لایه های عمیق مختلف نفوذ می کنند جامداتو مواد. CO 2 فوق بحرانی به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفت، که معلوم شد حلال برای طیف گسترده ای از ترکیبات آلی است. دی اکسید کربن به یک رهبر در دنیای فناوری های فوق بحرانی تبدیل شده است زیرا دارای طیف گسترده ای از مزایای است. تبدیل آن به حالت فوق بحرانی بسیار آسان است (t cr - 31 ° C، p cr - 73.8 atm)، علاوه بر این، غیر سمی، غیر قابل اشتعال، غیر منفجره و علاوه بر این، ارزان و در دسترس است. از دیدگاه هر فناور، جزء ایده آل هر فرآیندی است. چیزی که او را به ویژه جذاب می کند این است که او است بخش جدایی ناپذیر هوای جویو بنابراین آلودگی ایجاد نمی کند محیط زیست. CO 2 فوق بحرانی را می توان یک حلال دوستدار محیط زیست در نظر گرفت.

صنعت داروسازی یکی از اولین کسانی بود که به فناوری جدید روی آورد، زیرا SCF کامل ترین جداسازی بیولوژیکی را فراهم می کند. مواد فعالاز مواد گیاهی، ترکیب آنها را بدون تغییر نگه می دارد. فناوری جدید کاملاً مطابق با استانداردهای مدرن تولیدی بهداشتی و بهداشتی است داروها. علاوه بر این، مرحله تقطیر کردن حلال استخراج و تصفیه بعدی آن برای چرخه های مکرر حذف می شود. در حال حاضر تولید برخی ویتامین ها، استروئیدها و سایر داروها با استفاده از این فناوری سازماندهی شده است.

کافئین، دارویی که برای بهبود عملکرد سیستم قلبی عروقی استفاده می شود، از دانه های قهوه حتی بدون آسیاب کردن اولیه به دست می آید. استخراج کامل به دلیل قابلیت نفوذ بالای SCF حاصل می شود. دانه ها در اتوکلاو قرار می گیرند - ظرفی که می تواند فشار بالا را تحمل کند، سپس گاز CO 2 وارد آن می شود و سپس فشار لازم ایجاد می شود (بیش از 73 اتمسفر) که در نتیجه CO 2 به یک فوق بحرانی می رود. دولت تمام محتویات مخلوط می شوند و پس از آن مایع به همراه کافئین حل شده در یک ظرف باز ریخته می شود. دی اکسید کربن موجود در شرایط فشار اتمسفر، تبدیل به گاز می شود و به جو پرواز می کند و کافئین استخراج شده در یک ظرف باز به شکل خالص خود باقی می ماند:

در تولید لوازم آرایشی و عطر، از فناوری SCF برای استخراج اسانس، ویتامین ها و فیتونسیدها از محصولات گیاهی و حیوانی استفاده می شود. مواد استخراج شده حاوی هیچ اثری از حلال نیستند و روش استخراج ملایم به آنها اجازه می دهد تا فعالیت بیولوژیکی خود را حفظ کنند.

در صنایع غذایی تکنولوژی جدیدبه شما اجازه می دهد تا با ظرافت مواد طعم دهنده و معطر مختلف را از مواد گیاهی که به محصولات غذایی اضافه می شود استخراج کنید.

رادیوشیمی از فناوری جدید برای حل مشکلات زیست محیطی استفاده می کند. بسیاری از عناصر رادیواکتیو در یک محیط فوق بحرانی به راحتی با ترکیبات آلی اضافه شده - لیگاندها کمپلکس تشکیل می دهند. کمپلکس حاصل، برخلاف ترکیب اولیه عنصر رادیواکتیو، در سیال محلول است و بنابراین به راحتی از قسمت عمده ماده جدا می شود. به این ترتیب می توان بقایای عناصر رادیواکتیو را از سنگ معدن زباله استخراج کرد و همچنین خاک های آلوده به زباله های رادیواکتیو را بی خطر کرد.

حذف آلاینده ها با استفاده از حلال SC بسیار موثر است. پروژه های تاسیساتی برای حذف آلاینده ها از لباس ها (تمیز کردن خشک فوق بحرانی) و همچنین برای تمیز کردن مدارهای الکترونیکی مختلف در طول تولید آنها وجود دارد.

علاوه بر مزایای ذکر شده، فناوری جدید در بیشتر موارد ارزان تر از فناوری سنتی است.

عیب اصلی حلال های فوق بحرانی این است که ظروف پر شده با SCF در یک حالت فرآیند دوره ای عمل می کنند: بارگیری مواد خام در دستگاه - تخلیه محصولات نهایی - بارگیری بخش تازه ای از مواد خام. همیشه نمی توان با افزایش حجم دستگاه ها بهره وری یک نصب را افزایش داد، زیرا ایجاد ظروف بزرگ که می توانند فشارهای نزدیک به 10 مگاپاسکال را تحمل کنند یک کار فنی دشوار است.

برای برخی فرآیندها تکنولوژی شیمیاییامکان توسعه فرآیندهای مستمر وجود داشت - عرضه مداوم مواد خام و خروجی مداوم محصول حاصل. بهره وری افزایش می یابد زیرا که نیازی به اتلاف وقت برای بارگیری و تخلیه نیست. در این صورت می توان حجم دستگاه ها را به میزان قابل توجهی کاهش داد.

گاز هیدروژن در CO2 فوق بحرانی بسیار محلول است و امکان هیدروژناسیون مداوم را فراهم می کند ترکیبات آلیدر یک محیط سیال راکتور حاوی کاتالیزور هیدروژناسیون به طور مداوم با معرف ها عرضه می شود ( مواد آلیو هیدروژن) و همچنین مایع. محصولات از طریق یک دریچه مخصوص تخلیه می شوند و مایع به سادگی تبخیر می شود و می تواند به راکتور بازگردانده شود. با استفاده از روش توصیف شده، می توان تقریباً یک کیلوگرم از ترکیب اصلی را در دو دقیقه هیدروژنه کرد و راکتوری با چنین بهره وری به معنای واقعی کلمه در کف دست شما قرار می گیرد. ساخت چنین رآکتور کوچکی که بتواند فشارهای بالا را تحمل کند بسیار ساده تر از یک دستگاه بزرگ است.

چنین راکتوری در فرآیندهای هیدروژناسیون سیکلوهگزن به سیکلوهگزان (که به عنوان حلال برای اسانس ها و برخی لاستیک ها استفاده می شود) و همچنین ایزوفورون به تری متیل سیکلوهگزانون (مورد استفاده در سنتز آلی) آزمایش شده است:

در شیمی پلیمر، CO 2 فوق بحرانی به ندرت به عنوان یک محیط پلیمریزاسیون استفاده می شود. بیشتر مونومرها در آن محلول هستند، اما در طول فرآیند پلیمریزاسیون، مولکول در حال رشد مدتها قبل از اینکه زمان رشد قابل توجهی داشته باشد، حلالیت خود را از دست می دهد. این نقطه ضعف به یک مزیت تبدیل شد. پلیمرهای معمولی تولید شده سپس با بازیابی مونومر واکنش نداده و آغازگر پلیمریزاسیون با استفاده از SCF به طور موثر از ناخالصی ها خالص می شوند. به دلیل خواص انتشار فوق العاده بالا، سیال به راحتی به داخل توده پلیمری نفوذ می کند. این فرآیند از نظر فن آوری پیشرفته است - به مقادیر زیادی حلال آلی نیاز ندارد که به هر حال حذف آنها از توده پلیمری دشوار است.

علاوه بر این، پلیمرها در صورت اشباع شدن با مایع به راحتی متورم می شوند و تا 30٪ جذب می شوند. پس از تورم، حلقه لاستیکی ضخامت خود را تقریبا دو برابر می کند:

با کاهش آهسته فشار، اندازه قبلی بازیابی می شود. اگر یک ماده سخت و نه الاستیک را بگیرید و فشار را به شدت پس از تورم آزاد کنید، CO 2 به سرعت پرواز می کند و پلیمر را به شکل یک ماده ریز متخلخل باقی می گذارد. این اساسا یک فناوری جدید برای تولید پلاستیک متخلخل است.

سیال SC برای وارد کردن رنگ‌ها، تثبیت‌کننده‌ها و اصلاح‌کننده‌های مختلف به توده پلیمری ضروری است. برای مثال، کمپلکس‌های مس به پلی‌آریلات وارد می‌شوند که پس از احیای بعدی، مس فلزی را تشکیل می‌دهند. در نتیجه، ترکیبی با افزایش مقاومت در برابر سایش از پلیمر و فلز به طور یکنواخت بیرون می‌آید.

برخی از پلیمرها (پلی سیلوکسان ها و پلی هیدروکربن های فلوئوردار) در SC-CO 2 در دمای نزدیک به 100 درجه سانتیگراد و فشار 300 اتمسفر حل می شوند. این واقعیت اجازه می دهد تا از SCF به عنوان یک محیط برای پلیمریزاسیون مونومرهای معمولی استفاده شود. پلی هیدروکربن های فلوئوردار محلول به آکریلات پلیمریزه کننده اضافه می شوند و مولکول در حال رشد و "افزودنی" فلوئوردار از طریق فعل و انفعالات قطبی یکدیگر را نگه می دارند. بنابراین، گروه های فلوئوردار پلیمر افزوده شده نقش "شناور" را بازی می کنند که کل سیستم را در محلول نگه می دارد. در نتیجه، مولکول پلی آکریلات در حال رشد از محلول رسوب نمی کند و به اندازه قابل توجهی رشد می کند:

در شیمی پلیمر، از خاصیت ذکر شده قبلی سیالات نیز استفاده می شود - تغییر توانایی انحلال با افزایش فشار ( سانتی متر. نمودار انحلال نفتالین). پلیمر در یک محیط سیال قرار می گیرد و با افزایش تدریجی فشار، بخش هایی از محلول گرفته می شود. به این ترتیب، می‌توان پلیمر را به بخش‌های تشکیل‌دهنده آن، یعنی مولکول‌ها را بر اساس اندازه تقسیم کرد.

موادی که به عنوان مایع استفاده می شوند. چشم انداز.

اکنون 90 درصد از تمام فناوری‌های SCF بر روی CO2 فوق بحرانی متمرکز شده‌اند. علاوه بر دی اکسید کربن، مواد دیگری نیز به تدریج شروع به استفاده می کنند. زنون فوق بحرانی (t cr - 16.6 درجه سانتیگراد، p cr - 58 atm.) یک حلال کاملاً بی اثر است و بنابراین شیمیدانان از آن به عنوان یک محیط واکنش برای تولید ترکیبات ناپایدار (اغلب آلی فلزی) استفاده می کنند که CO 2 یک معرف بالقوه است. . استفاده گسترده از این مایع انتظار نمی رود، زیرا زنون یک گاز گران قیمت است.

برای استخراج چربی های حیوانی و روغن های گیاهی از مواد خام طبیعی، پروپان فوق بحرانی (t cr - 96.8، p cr - 42 atm.) مناسب تر است، زیرا این ترکیبات را بهتر از CO 2 حل می کند.

یکی از رایج ترین و دوستدار محیط زیست آب است، اما تبدیل آن به حالت فوق بحرانی بسیار دشوار است، زیرا پارامترهای نقطه بحرانی بسیار بالا هستند: t cr - 374 ° C، p cr - 220 atm. فن آوری های مدرنایجاد تاسیساتی که چنین الزاماتی را برآورده می کنند، ممکن می سازد، اما کار در این محدوده دما و فشار از نظر فنی دشوار است. آب فوق بحرانی تقریباً تمام ترکیبات آلی را که در زمان تجزیه نمی شوند، حل می کند دمای بالا. چنین آبی، وقتی اکسیژن به آن اضافه شود، قدرتمند می شود محیط اکسید کنندهکه هر ترکیب آلی را در چند دقیقه به H 2 O و CO 2 تبدیل می کند. در حال حاضر، آنها در حال بررسی امکان بازیافت زباله های خانگی به این روش هستند، در درجه اول ظروف پلاستیکی (چنین ظروف را نمی توان سوزاند، زیرا این مواد فرار سمی ایجاد می کند).

میخائیل لویتسکی

معادله حالت کمیت های ترمودینامیکی پتانسیل های ترمودینامیکی چرخه های ترمودینامیکی انتقال فاز همچنین ببینید "پرتال فیزیکی"

دمای انتقال فاز بحرانی- مقدار دما در نقطه بحرانی بالاتر از دمای بحرانی، گاز نمی تواند در هیچ فشاری متراکم شود.

معنای فیزیکی

در نقطه بحرانی، چگالی مایع و بخار اشباع آن برابر می شود و کشش سطحی مایع به صفر می رسد، بنابراین مرز فاز مایع و بخار ناپدید می شود.

برای مخلوطی از مواد، دمای بحرانی یک مقدار ثابت نیست و می توان آن را با یک منحنی فضایی (بسته به نسبت اجزای سازنده) نشان داد، که نقاط انتهایی آن دماهای بحرانی مواد خالص هستند - اجزای مخلوط مورد نظر

نقطه بحرانی در نمودار فاز یک ماده مربوط به نقاط محدود کننده در منحنی های تعادل فاز در مجاورت نقطه است، تعادل فاز مختل می شود و از دست دادن ثبات ترمودینامیکی در چگالی ماده رخ می دهد. در یک طرف نقطه بحرانی ماده همگن است (معمولاً در textvcیافت نشد؛ برای راهنمایی راه‌اندازی به ریاضی/README مراجعه کنید.: T > T_(crit)) و از طرف دیگر به مایع و بخار تقسیم می شود.

در مجاورت نقطه، پدیده های بحرانی مشاهده می شود: به دلیل افزایش اندازه های مشخصه نوسانات چگالی، پراکندگی نور هنگام عبور از یک ماده به شدت افزایش می یابد - زمانی که اندازه نوسانات به صدها نانومتر می رسد، یعنی. ، طول موج های نور، ماده مات می شود - مات شدن بحرانی آن مشاهده می شود. افزایش نوسانات همچنین منجر به افزایش جذب صدا و افزایش پراکندگی آن، تغییر در ماهیت حرکت براونی، ناهنجاری در ویسکوزیته، هدایت حرارتی، کاهش سرعت برقراری تعادل حرارتی و غیره می شود.

داستان

پدیده حالت بحرانی ماده برای اولین بار در سال 1822 توسط چارلز کاگنیارد د لا تور کشف شد و در سال 1860 توسط D.I. تحقیقات سیستماتیک با کار توماس اندروز آغاز شد. در عمل، پدیده نقطه بحرانی را می توان هنگام گرم کردن مایعی که تا حدی یک لوله مهر و موم شده را پر می کند مشاهده کرد. همانطور که مینیسک گرم می شود، به تدریج انحنای خود را از دست می دهد، بیشتر و بیشتر صاف می شود و زمانی که دمای بحرانی به دست می آید، دیگر قابل تشخیص نیست.

پارامترهای نقاط بحرانی برخی از مواد

ماده	قادر به تجزیه عبارت (فایل اجرایی textvcیافت نشد؛ برای راهنمایی راه‌اندازی به ریاضی/README مراجعه کنید.: T_(crit)	قادر به تجزیه عبارت (فایل اجرایی textvcیافت نشد؛ برای راهنمایی راه‌اندازی به ریاضیات/README مراجعه کنید.: P_(crit)	قادر به تجزیه عبارت (فایل اجرایی textvcیافت نشد؛ برای راهنمایی راه‌اندازی به ریاضیات/README مراجعه کنید.: V_(crit)
واحدها	کلوین ها	اتمسفرها	cm³/mol
هیدروژن	33,0	12,8	61,8
اکسیژن	154,8	50,1	74,4
	1750	1500	44
اتانول	516,3	63,0	167
دی اکسید کربن	304,2	72,9	94,0
آب	647	218,3	56
نیتروژن	126.25	33,5
آرگون	150.86	48,1
برم	588	102
هلیوم	5.19	2,24
ید	819	116
کریپتون	209.45	54,3
زنون	289.73	58
آرسنیک	1673
نئون	44.4	27,2
رادون	378
سلنیوم	1766
گوگرد	1314
فسفر	994
فلوئور	144.3	51,5
کلر	416.95	76

نقاط بحرانی نه تنها برای مواد خالص، بلکه در برخی موارد برای مخلوط آنها وجود دارد و پارامترهای از دست دادن پایداری مخلوط (با جداسازی فاز) - محلول (یک فاز) را تعیین می کند. نمونه ای از چنین مخلوطی مخلوط فنل و آب است.

گاز تک ایزوتوپی در دمای بحرانی به طور نامحدود فشرده می شود تا زمانی که همپوشانی داشته باشد پوسته های الکترونیکیاتم های همسایه بدون افزایش فشار

معروف ترین فرمول نسبیت عام قانون بقای جرم انرژی است

این یک پیش نویس مقاله در مورد فیزیک است. می توانید با اضافه کردن پروژه به آن کمک کنید.

این الگو را مشاهده کنید جامد مایع گاز پلاسما سیستم های پراکنده انتقال فاز همچنین ببینید

نظر خود را در مورد مقاله نقطه بحرانی (ترمودینامیک) بنویسید.

گزیده ای برای توصیف نقطه بحرانی (ترمودینامیک)

- فقط اینکه آنها واقعاً عمیقاً به جان احترام می گذاشتند ، علیرغم این واقعیت که هرگز او را ندیده بودند. - نورث لبخند زد. - خوب، یک چیز دیگر این است که پس از مرگ رادومیر و ماگدالنا، کاتارها در واقع "مکاشفات" واقعی مسیح و دفترهای خاطرات یوحنا را داشتند که کلیسای روم سعی کرد به هر قیمتی آنها را پیدا و نابود کند. خادمان پاپ تمام تلاش خود را کردند تا بفهمند کاتارهای لعنتی خطرناک ترین گنج خود را کجا پنهان کرده اند؟! زیرا اگر همه اینها آشکارا ظاهر شد - و تاریخ کلیسای کاتولیکشکست کامل را متحمل می شد. اما، هر چقدر هم که سگ های خونخوار کلیسا تلاش کردند، شانس هرگز به آنها لبخند نزد... چیزی به جز چند دست نوشته از شاهدان عینی پیدا نشد.
به همین دلیل است که تنها راه کلیسا برای حفظ اعتبار خود در مورد کاتارها فقط تحریف ایمان و تعلیم آنها بود تا جایی که هیچ کس در جهان نتواند حقیقت را از دروغ تشخیص دهد... همانطور که آنها به راحتی با کاتارها انجام دادند. زندگی رادومیر و ماگدالنا.
کلیسا همچنین ادعا کرد که کاتارها جان را حتی بیشتر از خود عیسی رادومیر می پرستیدند. منظور آنها فقط از جان "خود" بود، با انجیل های مسیحی دروغین و همان دست نوشته های دروغین... کاتارها در واقع به جان واقعی احترام می گذاشتند، اما همانطور که می دانید او هیچ شباهتی با کلیسا جان نداشت. باپتیست."
- می دانی، نورث، من این تصور را دارم که کلیسا همه چیز را تحریف و ویران کرده است تاریخ جهان. چرا این کار لازم بود؟
- ایسیدورا برای اینکه اجازه ندهید آدم فکر کند. ساختن بردگان مطیع و ناچیز از مردمی که به صلاحدید خود توسط «مقدس‌ترین‌ها» «بخشیده» یا مجازات شدند. زیرا اگر انسان حقیقت گذشته خود را بداند، برای خود و اجدادش مغرور خواهد بود و هرگز یقه برده نمی‌بندد. بدون حقیقت، از آزاد و افراد قوی«بندگان خدا» شدند و دیگر سعی نکردند به یاد بیاورند که واقعاً چه کسانی هستند. این زمان حال است، ایزیدورا... و صادقانه بگویم، امیدهای چندان روشنی برای تغییر باقی نمی گذارد.
شمال خیلی ساکت و غمگین بود. ظاهراً با مشاهده ضعف و ظلم انسان در طول قرن ها و با دیدن اینکه قوی ترین ها چگونه از بین رفتند، دلش از تلخی و ناباوری به پیروزی قریب الوقوع علم و نور مسموم شد... و من آنقدر خواستم بر او فریاد بزنم که هنوز هم هستم. باور کن که مردم به زودی بیدار خواهند شد!.. با وجود عصبانیت و درد، با وجود خیانت و ضعف، من معتقدم که زمین بالاخره نمی تواند در مقابل آنچه بر سر فرزندانش می آید، مقاومت کند. و بیدار می شد... اما فهمیدم که نمی توانم او را متقاعد کنم، زیرا خود من به زودی باید بمیرم و برای همین بیداری بجنگم.
اما پشیمان نشدم... زندگی من فقط یک دانه شن بود در دریای بی پایان رنج. و من فقط باید تا آخر بجنگم، مهم نیست چقدر وحشتناک بود. از آنجایی که حتی قطرات آب که دائماً در حال سقوط هستند، می توانند روزی قوی ترین سنگ را بشکنند. شر هم همینطور است: اگر مردم حتی دانه به دانه آن را خرد کنند، روزی فرو می ریزد، حتی اگر در طول این عمر نباشد. اما آنها دوباره به زمین خود باز می گشتند و می دیدند - آنها بودند که به او کمک کردند زنده بماند!.. آنها بودند که به او کمک کردند سبک و وفادار شود. می دانم که شمالی ها می گویند که انسان هنوز نمی داند چگونه برای آینده زندگی کند... و می دانم که تا کنون این درست بوده است. اما این دقیقاً همان چیزی است که، به نظر من، بسیاری را از تصمیم گیری خود باز داشت. زیرا مردم بیش از حد عادت کرده اند که «مثل دیگران» فکر و عمل کنند، بدون اینکه برجسته باشند یا دخالت کنند، فقط برای اینکه در صلح زندگی کنند.
"متاسفم دوست من که تو را این همه رنج کشیدم." - صدای شمال افکارم را قطع کرد. "اما من فکر می کنم این به شما کمک می کند تا به سرنوشت خود راحت تر برسید." به شما کمک می کند زنده بمانید ...
من نمی خواستم در مورد آن فکر کنم ... حداقل کمی بیشتر!.. بالاخره من هنوز زمان زیادی برای سرنوشت غم انگیزم باقی مانده بود. بنابراین، برای تغییر موضوع دردناک، دوباره شروع به سوال پرسیدن کردم.

در دماهای به اندازه کافی بالا، بخش افقی ایزوترم یک گاز واقعی (نگاه کنید به شکل 6.4) بسیار کوتاه می شود و در دمای معین به یک نقطه تبدیل می شود (در شکل 6.4 - نقطه K). این دما بحرانی نامیده می شود.

دمای بحرانی دمایی است که در آن تفاوت وجود دارد خواص فیزیکیبین مایع و بخاری که با آن در تماس است تعادل دینامیکی. هر ماده دمای بحرانی خود را دارد. به عنوان مثال، دمای بحرانی برای دی اکسید کربن CO 2 t K = 31 درجه سانتیگراد و برای آب - t K = 374 درجه سانتیگراد است.

شرایط بحرانی

حالت مربوط به نقطه K، که بخش افقی ایزوترم در دمای T = T k به آن می چرخد، حالت بحرانی (نقطه بحرانی) نامیده می شود. فشار و حجم در این حالت بحرانی نامیده می شود. فشار بحرانی برای دی اکسید کربنبرابر 7.4 10 6 Pa (73 atm) و برای آب 2.2 10 7 Pa (218 atm) است. در حالت بحرانی، مایع حداکثر حجم و بخار اشباع حداکثر فشار را دارد.

چگالی مایع و بخار اشباع آن در دمای بحرانی

قبلاً اشاره کرده‌ایم که با افزایش دما، چگالی بخار اشباع شده افزایش می‌یابد (بند 6.3 را ببینید). برعکس، چگالی یک مایع در تعادل با بخار آن به دلیل انبساط آن در هنگام گرم شدن کاهش می یابد.

جدول 2 مقادیر چگالی آب و بخار اشباع آن را برای دماهای مختلف نشان می دهد.

جدول 2

اگر در یک شکل منحنی هایی را برای وابستگی چگالی مایع و بخار اشباع آن به دما رسم کنیم، برای مایع منحنی پایین می آید و برای بخار بالا می رود (شکل 6.6). در دمای بحرانی، هر دو منحنی ادغام می شوند، یعنی چگالی مایع برابر با چگالی بخار می شود. تمایز بین مایع و بخار از بین می رود.

برنج. 6.6

گاز و بخار

ما بارها از واژه های گاز و بخار استفاده کرده ایم. این اصطلاحات در زمانی پدید آمدند که اعتقاد بر این بود که بخار می تواند به مایع تبدیل شود، اما گاز نمی تواند. پس از اینکه همه گازها متراکم شدند (به بند 6.7 مراجعه کنید)، هیچ مبنایی برای چنین اصطلاحات دوگانه ای باقی نمانده بود. بخار و گاز یکسان هستند. وقتی از بخار یک مایع صحبت می کنند، معمولاً منظورشان این است که دمای آن کمتر از حد بحرانی است و با فشرده سازی می توان آن را به مایع تبدیل کرد. فقط از روی عادت در مورد بخار آب صحبت می کنیم، نه در مورد گاز آب، در مورد بخار اشباع، و نه در مورد گاز اشباع و غیره.

مطالعه تجربی بیماری بحرانی

آزمایش هایی برای مطالعه شرایط بحرانی در سال 1863 توسط دانشمند روسی M. P. Avenarius انجام شد. وسیله ای که با آن می توانید وضعیت بحرانی را مشاهده کنید (دستگاه Avenarius) شامل یک حمام هوا (شکل 6.7) و یک لوله شیشه ای مهر و موم شده (آمپول) با اتر مایع است که در داخل حمام قرار دارد. حجم آمپول (ظرفیت آن) برابر با حجم بحرانی اتر ریخته شده در لوله است. فضای بالای اتر در آمپول با بخار اتر اشباع شده پر شده است.

برنج. 6.7

با استفاده از یک مشعل گازی یا بخاری دیگر، حمام هوا گرم می شود. وضعیت اتر از طریق یک پنجره شیشه ای در دستگاه مشاهده می شود.

در دمای اتاق، می توانید مرز بین مایع و بخار را به وضوح ببینید (شکل 6.8، a). با نزدیک شدن به دمای بحرانی، حجم اتر مایع افزایش می‌یابد و سطح مشترک مایع-بخار ضعیف و ناپایدار می‌شود (شکل 6.8، ب).

برنج. 6.8

هنگام نزدیک شدن وضعیت بحرانیمرز بین آنها به طور کامل ناپدید می شود (شکل 6.8، ج).

هنگامی که سرد می شود، یک مه غلیظ ظاهر می شود که کل لوله را پر می کند (شکل 6.8، d). این باعث ایجاد قطرات مایع می شود. سپس آنها با هم ادغام می شوند و دوباره یک رابط بین مایع و بخار ظاهر می شود (شکل 6.8، د).

اتر برای آزمایش انتخاب شد زیرا فشار بحرانی نسبتاً کمی دارد (حدود 36 اتمسفر). دمای بحرانی آن نیز پایین است: 194 درجه سانتیگراد.

اگر گازی را فشرده کنید، دمای آن را بالاتر از دمای بحرانی نگه دارید (شکل 6.4، ایزوترم T 3 را ببینید)، و مانند قبل، با حجم های بسیار زیاد شروع کنید، سپس کاهش حجم منجر به افزایش فشار مطابق با معادله حالت یک گاز ایده آل با این حال، اگر در دمای کمتر از دمای بحرانی در یک فشار معین، تراکم بخار رخ دهد، اکنون تشکیل مایع در ظرف مشاهده نخواهد شد. بالاتر از دمای بحرانی، گاز را نمی توان تحت هیچ فشاری به مایع تبدیل کرد.

این معنای اصلی مفهوم دمای بحرانی است.

نمودار حالت تعادل گاز و مایع

اجازه دهید یک بار دیگر به شکل 6.4 برگردیم که ایزوترم یک گاز واقعی را نشان می دهد. اجازه دهید تمام انتهای سمت چپ بخش های افقی ایزوترم ها را به هم وصل کنیم، یعنی آن نقاطی که مربوط به پایان تراکم بخار اشباع شده و شروع فشرده سازی مایع است. نتیجه یک منحنی صاف است که به نقطه بحرانی K ختم می شود. در شکل 6.9 این منحنی ART است. در سمت چپ منحنی AK، بین آن و ایزوترم بحرانی (بخش ایزوترم SC)، ناحیه ای مربوط به حالت مایع ماده وجود دارد (در شکل 6.9 این ناحیه با سایه افقی برجسته شده است). هر نقطه در این ناحیه مربوط به پارامترهای p، V و T است که مایع را در حالت تعادل حرارتی مشخص می کند.

برنج. 6.9

اکنون اجازه دهید تمام انتهای سمت راست بخش های افقی ایزوترم ها را با یک منحنی صاف وصل کنیم. این منحنی در شکل 6.9 نیز به نقطه K ختم می شود. دو خط AK و BK یک ناحیه را محدود می کنند که هر نقطه آن مربوط به حالت تعادل بین بخار مایع و اشباع است (در شکل 6.9 این ناحیه با سایه عمودی برجسته شده است). به استثنای ناحیه حالت مایع و ناحیه تعادل مایع-گاز، بقیه منطقه مربوط به حالت گازیمواد در شکل 6.9 با سایه های مایل برجسته شده است.

نتیجه نموداری از حالات تعادلی گاز و مایع بود. هر نقطه در این نمودار مربوط به حالت خاصی از سیستم است: گاز، مایع یا تعادل بین مایع و گاز.

در دمای بحرانی، خواص بخار مایع و اشباع غیر قابل تشخیص می شود. مایع نمی تواند بالاتر از دمای بحرانی وجود داشته باشد.