Punkt krytyczny (fizyka)

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj
Punkt krytyczny (p.k.) na wykresie równowagi faz dla czystej substancji

Punkt krytyczny, warunki krytyczne – punkt przejścia układu fizycznego w stan o odmiennych właściwościach (cieczpara nasycona), w którym nie można rozróżnić obu stanów (cieczy i pary nasyconej). Na przykład:

  • dla czystych substancji 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 dwuwymiarowy (układ o dwóch stopniach swobody – 2D). Parametry krytyczne oznacza się często dolnymi indeksami „kr”, „k”, „cr” lub „c”, czasami z dodatkiem „2D” („2”), „3D” („3”) itd., w zależności od tego, jakiego układu dotyczą, na przykład T3c. Dla gazów parametry krytyczne można określić na podstawie współczynników odpowiedniego równania stanu, na przykład równania van der Waalsa.
    • w przypadku gazów zaadsorbowanych na powierzchni (układ dwuwymiarowy), jak i innych zjawisk związanych z dwoma wymiarami (2D), warunki krytyczne będą się różniły. Wiele przejść fazowych również zachodzi jedynie w warunkach powyżej lub poniżej pewnych wartości krytycznych (gęstości, temperatury, ciśnienia).
  • punkt krytyczny dla ciekłych układów wieloskładnikowych oznacza stan, w którym zanika różnica między współistniejącymi fazami ciekłymi – dla wielu mieszanin ciekłych istnieją obszary (określone przede wszystkim przez temperatury krytyczne), w których istnieje całkowita mieszalność, i obszary, gdzie istnieje ograniczenie rozpuszczalności, a więc w pewnym zakresie stężeń współistnieją (zwykle dwie) odrębne fazy (np. faza A nasycona składnikiem B oraz faza B nasycona składnikiem A).

Stałe krytyczne[edytuj | edytuj kod]

Gaz van der Waalsa[edytuj | edytuj kod]

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:

temperatura krytyczna – T_{k} = \frac{8 a}{27 b R}


ciśnienie krytyczne – p_{k} = \frac{a}{27 b^{2}}


molowa objętość krytyczna – V_{k} = 3 b\,

gdzie:

  • R – (uniwersalna) stała gazowa
  • T – temperatura
  • a, b – parametry równania van der Waalsa:
\left(p + \frac{a}{V^{2}}\right)(V-b) = RT
gdzie:
  • p – ciśnienie
  • V – objętość molowa[a]

Ciecze o ograniczonej mieszalności[edytuj | edytuj kod]

Warunki krytyczne dla cieczy o ograniczonej mieszalności określają temperatury:

  • górna temperatura krytyczna – jeżeli istnieje temperatura, powyżej której ciecze stają się całkowicie mieszalne, poniżej tej temperatury wzajemna rozpuszczalność jest ograniczona (w pewnym przedziale składów wyjściowych uzyskujemy dwie fazy ciekłe będące wzajemnie nasyconymi roztworami)
  • dolna temperatura krytyczna – jeżeli istnieje temperatura, poniżej której ciecze stają się całkowicie mieszalne.

Zredukowane stałe krytyczne[edytuj | edytuj kod]

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

  • temperatura zredukowana:
T^{*} = \frac{T}{T_{k}}
  • gęstość zredukowana:
\rho^{*} = \frac{\rho}{\rho_{k}}
  • ciśnienie zredukowane:
p^{*} = \frac{p}{p_{k}}
  • objętość (molowa) zredukowana:
V^{*} = \frac{V}{V_{k}}

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

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[edytuj | edytuj kod]

Uwagi

  1. W wielu źródłach z dziedziny chemii fizycznej symbole funkcji i parametrów stanu odnoszące się do jednego mola są zapisywane wielkimi literami. Symbolem objętości układu zawierającego n moli jest v (v = nV).
  2. Zredukowane parametry p-T-V bywają również oznaczane innymi symbolami, np. π-φ-ϑ, п-ω-τ, pr-Tr-Vr.

Bibliografia[edytuj | edytuj kod]