Kritična tačka (termodinamika)

1. Podkritični etan, tečnia i gasna faza koegzistiraju
2. Kritičan tačka (32,17 °-{C}-, 48,72 -{bar}-), opalescencija
3. Superkritični etan, fluid

U termodinamici, kritična tačka (ili kritično stanje) je krajnja tačka krive fazne ravnoteže. Najistaknutiji primer je kritična tačka pare tečnosti, krajnja tačka krive pritiska i temperature koja označava uslove pod kojima tečnost i njena para mogu postojati zajedno. Pri višim temperaturama, gas se ne može utečniti samo pritiskom. Na kritičnoj tački, definisanoj kritičnom temperaturom -{T_c}- i kritičnim pritiskom -{p_c}-, granice faze nestaju. Drugi primeri uključuju kritične tačke oblika tečnost-tečnost u smešama.

Kritična tačka pare i tečnosti

Pregled

Kritična tačka tečnosti i pare u faznom dijagramu pritiska i temperature je na visokotemperaturnom ekstremu fazne granice tečnosti i gasa. Tačkasta zelena linija pokazuje anomalno ponašanje vode.

Radi jednostavnosti i jasnoće, generički pojam kritične tačke najbolje je predstaviti razmatranjem konkretnog primera, kritične tačke tečnosti i pare. To je bila prva kritična tačka koja je otkrivena, a ona je i dalje najpoznatija i najviše proučavana.

Slika desno prikazuje šematski PT dijagram čiste supstance (za razliku od smeša, koje imaju dodatne promenljive stanja i bogatije fazne dijagrame, o kojima će biti reči u nastavku). Opšte poznate faze čvrsta, tečna i para su razdvojene faznim granicama, i.e. kombinacijama pritiska i temperature, gde dve faze mogu da koegzistiraju. U trojnoj tački, sve tri faze mogu da koegzistiraju. Međutim, granica tečnosti i pare završava se krajnjom tačkom na nekoj kritičnoj temperaturi -{T_c}- i kritičnom pritisku p_c. To je kritična tačka.

U vodi, kritična tačka se javlja oko 647 -{K}- (374 °-{C}- ili 705 °-{F}-) i 22,064 -{MPa}- (3200 -{psia}- ili 218 -{atm}-).

U blizini kritične tačke, fizička svojstva tečnosti i pare dramatično se menjaju, pri čemu su obe faze postaju sve sličnije. Na primer, tečna voda pod normalnim uslovima je skoro nekompresibilna, ima mali koeficijent toplotnog širenja, ima visoku dielektričnu konstantu i odličan je rastvarač za elektrolite. U blizini kritične tačke, sva ova svojstva se menjaju u suprotno: voda postaje kompresibilna, rastegljiva, loš dielektrik, loš rastvarač za elektrolite, i preferira da se meša sa nepolarnim gasovima i organskim molekulima.

U kritičnoj tački postoji samo jedna faza. Toplota isparavanja je nula. U liniji konstantne temperature (kritična izoterma) na PV-dijagramu postoji stacionarna infleksiona tačka. To znači da u kritičnoj tački:

${\left(\frac{\partial p}{\partial V}\right)}_T=0$

${\left(\frac{{\partial }^{2}p}{\partial V^2}\right)}_T=0$

Kritična izoterma sa kritičnom tačkom -{K}-

Iznad kritične tačke postoji stanje materije koje je kontinuirano povezano sa (može se transformisati bez faznog prelaska u) i tečno i gasovito stanje. Ono se naziva superkritični fluid. Uobičajenu tvrdnju iz udžbenika da sve razlike između tečnosti i pare nestaju izvan kritične tačke dovode u pitanje Fišer i Vidom, koji su identifikovali -{p, T}--liniju koja razdvaja stanja sa različitim asimptotskim statističkim svojstvima (Fišer-Vidomova linija).

Istorija

Magla koja stvara iz ugljen dioksida dok se hladi od superkritične do kritične temperature.

Postojanje kritične tačke prvi je otkrio Šarl Kanjar del la Tur 1822. a nazvali su je Dmitrij Mendeljejev 1860. godine i Tomas Endruz 1869. godine. Kanjar je pokazao da se -{CO}-₂ može utečnici na 31 °-{C}- pri ptitisku od 73 atm, ali ne na neznatno višoj temperaturi, čak n i pod pritiskom od 3.000 atm.

Teorija

Rešavanjem gornjeg stanja $(\partial p/\partial V{)}_T=0$ za Van der Valsovu jednačinu, može se izračunati kritična tačka kao

$T_c=\frac{8a}{27Rb},V_c=3nb,p_c=\frac{a}{27b^2}$.

Međutim, van der Valsova jednačina, zasnovana na teoriji srednjeg polja, ne važi u blizini kritične tačke. Specifično, ona predviđa pogrešne zakone skaliranja. Da bi se analizirala svojstva fluida u blizini kritične tačke, redukovane promenljive stanja se ponekad definišu relativno na kritične osobine

$T_r=\frac{T}{T_c},p_r=\frac{p}{p_c},V_r=\frac{V}{R{T}_c/p_c}$.

Princip korespondentnih stanja ukazuje da supstance pod jednakim redukovanim (podeljenim kritičnim vrednostima) pritiskom i temperaturom imaju jednako redukovane zapremine. Ovaj odnos je približno istinit za mnoge supstance, ali postaje rastuće neprecizniji za velike vrednosti -{p_r}-.

Za neke gasove postoji dodatni korekcioni faktor, nazvan Njutnova korekcija, dodat kritičnoj temperaturi i kritičnom pritisku izračunatim na ovaj način. To su empirijski izvedene vrednosti i variraju u zavisnosti od raspona pritiska od interesa.

Tabela kritične temperature i pritiska pare i tečnosti za izabrane supstance

Substanca	Kritična temperatura	Kritični pritisak (absolutni)
Argon	Шаблон:Sort	Шаблон:Sort
Amoniјak (-{NH}-3)	Шаблон:Sort	Шаблон:Sort
-{R-134a}-	Шаблон:Sort	Шаблон:Sort
-{R-410A}-	Шаблон:Sort	Шаблон:Sort
Brom	Шаблон:Sort	Шаблон:Sort
Cezijum	Шаблон:Sort	Шаблон:Sort
Hlor	Шаблон:Sort	Шаблон:Sort
Etanol (-{C2H5OH}-)	Шаблон:Sort	Шаблон:Sort
Fluor	Шаблон:Sort	Шаблон:Sort
Helijum	Шаблон:Sort	Шаблон:Sort
Vodonik	Шаблон:Sort	Шаблон:Sort
Kripton	Шаблон:Sort	Шаблон:Sort
Metan (-{CH}-4)	Шаблон:Sort	Шаблон:Sort
Neon	Шаблон:Sort	Шаблон:Sort
Azot	Шаблон:Sort	Шаблон:Sort
Kiseonik	Шаблон:Sort	Шаблон:Sort
Ugljen dioksid (-{CO}-2)	Шаблон:Sort	Шаблон:Sort
Azotsuboksid (-{N2O}-)	Шаблон:Sort	Шаблон:Sort
Sumporna kiselina (-{H2SO4}-)	Шаблон:Sort	Шаблон:Sort
Ksenon	Шаблон:Sort	Шаблон:Sort
Litijum	Шаблон:Sort	Шаблон:Sort
Živa	Шаблон:Sort	Шаблон:Sort
Sumpor	Шаблон:Sort	Шаблон:Sort
Gvožđe	Шаблон:Sort
Zlato	Шаблон:Sort	Шаблон:Sort
Aluminijum	Шаблон:Sort
Voda (-{H2O}-)	Шаблон:Sort	Шаблон:Sort

Vidi još

• Konformalna teorija polja
• Kritični eksponent
• Kritični fenomeni
• Kritične tačke elemenata
• Kirijeva tačka
• Fazna transformacija
• Trikritična tačka
• Trojna tačka
• Gornja kritična temperatura rastvora

Literatura

• Шаблон:Cite web

Spoljašnje veze

• Шаблон:Cite web
• Шаблон:Cite web