النقطة الحرجة

التاريخ

أول من لاحظها هو الفيزيائي الفرنسي شارل كانيار دي لا تور عام 1822. قام بتسخين سوائل مختلفة في أنابيب زجاجية محكمة الإغلاق، ولاحظ أنه عند درجة حرارة معينة يختفي الغضروف الهلالي (الحد الفاصل بين السائل والبخار) فجأة، وتصبح المحتويات ضباباً متجانساً، وعند التبريد ينفصل مرة أخرى.

كيف يعمل

عند التسخين، تنخفض كثافة السائل وتزداد كثافة البخار. عند النقطة الحرجة تصبحان متساويتين – كما لو أن سائلين غير قابلين للامتزاج أصبحا فجأة متطابقين واختلطا. يختفي التوتر السطحي ويختفي الغضروف الهلالي المرئي.

التاريخ

أول من لاحظها هو الفيزيائي الفرنسي شارل كانيار دي لا تور عام 1822. قام بتسخين سوائل مختلفة في أنابيب زجاجية محكمة الإغلاق، ولاحظ أنه عند درجة حرارة معينة يختفي الغضروف الهلالي (الحد الفاصل بين السائل والبخار) فجأة، وتصبح المحتويات ضباباً متجانساً، وعند التبريد ينفصل مرة أخرى.

كيف يعمل

عند التسخين، تنخفض كثافة السائل وتزداد كثافة البخار. عند النقطة الحرجة تصبحان متساويتين – كما لو أن سائلين غير قابلين للامتزاج أصبحا فجأة متطابقين واختلطا. يختفي التوتر السطحي ويختفي الغضروف الهلالي المرئي.

التاريخ

في عام 1822، اكتشف شارل كانيار دي لا تور، أثناء تسخين السوائل في أنابيب محكمة الإغلاق، أن الحد الفاصل بين السائل والبخار يختفي فجأة عند درجة حرارة معينة. في عام 1869، قدم توماس أندروز، أثناء دراسته لثاني أكسيد الكربون، مفهوم النقطة الحرجة وأثبت استمرارية الحالتين السائلة والغازية. وفي القرن العشرين، طور لانداو وليفشيتز النظرية العامة للتحولات الطورية، بما في ذلك الظواهر الحرجة، وقام ويلسون، بتطبيق نهج مجموعة إعادة التطبيع، بحساب المؤشرات الحرجة.

كيف يعمل

على المستوى الجزيئي، عند ارتفاع درجة الحرارة، تزداد الطاقة الحركية للجزيئات، مما يضعف التجاذب بين الجزيئات. عند النقطة الحرجة، تسيطر الحركة الحرارية تماماً على قوى التماسك، لذلك لا يمكن للسائل أن يوجد كطور منفصل. ترموديناميكياً، تُعرف النقطة الحرجة بشرط نقطة الانقلاب على منحنى درجة الحرارة الثابتة: (∂p/∂V)_T = 0 و (∂²p/∂V²)_T = 0. بالنسبة لغاز فان دير فالس، تعطي هذه الشروط المعاملات الحرجة: T_c = 8a/(27Rb)، p_c = a/(27b²)، V_c = 3b. بالقرب من النقطة الحرجة، تسبب أقل الاضطرابات تقلبات هائلة في الكثافة، مما يتجلى في البريق الحرج وتباطؤ عمليات الاسترخاء. توصف التقلبات بنظرية لانداو وقوانين التدريج؛ ينص مبدأ الكونية على أن المؤشرات الحرجة (α للسعة الحرارية، β لمعامل النظام، γ للقابلية، δ لمعادلة الحالة) متشابهة لجميع السوائل البسيطة والمغناطيسات.

مسائل مفتوحة وحقائق طريفة

بناء نظرية كاملة للظواهر الحرجة في الأنظمة غير المتوازنة (المادة الفعالة).; وصف النقطة الحرجة للتحول الطوري الكمومي عند درجة حرارة الصفر.; التنبؤ بالمعاملات الحرجة للمخاليط الجزيئية المعقدة من المبادئ الأولى.

💡 يتمتع ثاني أكسيد الكربون بدرجة حرارة حرجة منخفضة نسبياً تبلغ 31 درجة مئوية، لذا يُستخدم مائعه فوق الحرج كمذيب لإزالة الكافيين من القهوة – فهو يتخلل الحبوب ويستخلص الكافيين، ثم بعد إزالة الضغط يتطاير دون أن يترك أثراً.