Критическое состояние вещества

Рис. 3.8.1. Рис. 3.8.2.

Изотермы Эндрюса, полученные экспериментально, для различных температур приведены на рис. 3.8.1. Как видно из этого рисунка с увеличением температуры интервал объёмов, которым соответствует область насыщенного пара, сокращается и при некоторой температуре T_кр насыщенный пар вообще не образуется, а ненасыщенный пар при определенном объёме V_кр и определенном давлении P_кр будет сразу переходить в жидкое состояние. Такое состояние называется критическим, а соответствующие ему значения температуры, объёма и давления называются критическими температурой, объёмом и давлением. При температуре, большей критической, при любом сжатии газа жидкость не образуется.

Для воды критическая температура равна t_кр = 374°С, критическое давление P_кр = 22,1 МПа, критическая плотность r_кр = 329 кг/м³.

Зависимость плотности от температуры для жидкости и насыщенного пара приведена на рис. 3.8.2. Плотность жидкости с ростом температуры уменьшается по закону теплового расширения:

. (3.8.1)

Плотность насыщенного пара с увеличением температуры растет. Когда температура становится критической, плотности жидкости и насыщенного пара сравниваются. При критической температуре исчезает резкая граница между жидкостью и паром и теряется различие между ними. Можно дать следующее определение критической температуры.

Критической называется такая температура, при которой плотность насыщенного пара равна плотности жидкости.

Понятие критической температуры было впервые введено Д.И. Менделеевым в 1860 году.

Изображенная штрихом на рис. 3.8.1 колоколообразная кривая ограничивает область двухфазных состояний вещества. Колоколообразная кривая и критическая изотерма делят PV-плоскость на три области (рис. 3.8.3):

1) жидкость (синяя штриховка)

2) область двухфазных состояний - жидкость + насыщенный пар (зеленая штриховка)

3) газообразное состояние. Ниже критической изотермы ненасыщенный пар (красная штриховка), выше – газ (лиловая штриховка).

Рис. 3.8.2.

Разделение на газы (постоянные газы) и пары – условно. Оно исторически связано с тем, что большинство газов (в частности, газы, входящие в состав воздуха) невозможно было превратить в жидкость путем одного только сжатия.

Первым, кто понял, что для сжижения газов их нужно сначала охладить, а потом сжать, был М. Фарадей. В 1823 году он превратил в жидкость хлор, позже он получил жидкий сероуглерод и углекислый газ. Только некоторые газы, такие как кислород, азот, водород и гелий, никак не поддавались сжижению. Лишь после того, как Д.И. Менделеевым в 1860 году было введено понятие критической температуры, было понято, что газы следует сначала охладить до температуры меньшей критической, только тогда их можно превратить в жидкость с помощью сжатия. Так называемые «постоянные газы» не удавалось превратить в жидкость, т.к. их критические температуры достаточно низкие (много меньше комнатных). В таблице приведены значения критических температур таких газов и год, когда их впервые смогли превратить в жидкость.

газ	Tк, К	год
азот	126,3
кислород	154,8
водород	33,2
гелий	5,2

Таким образом, обычные газообразные вещества, находящиеся при комнатной температуре, имеют критическую температуру, гораздо меньшую комнатной. Наоборот, вещества, которые мы привыкли считать жидкостями, имеют критическую температуру, больше комнатной. Так, в частности на Венере, если и существует вещество, химическая формула которого H₂O, то, т.к. температура на поверхности Венеры t = 480°С > t_кр = 374°С, не существует жидкой воды.

Дата добавления: 2014-01-20