критическая точка

История

Первым её заметил французский физик Шарль Каньяр де ла Тур в 1822 году. Он нагревал разные жидкости в запаянных стеклянных трубках и увидел, что при определённой температуре мениск (граница жидкости и пара) внезапно исчезает, и содержимое становится однородным туманом, а при охлаждении вновь разделяется.

Как работает

При нагреве плотность жидкости уменьшается, а плотность пара растёт. В критической точке они становятся одинаковыми — подобно тому, как если бы две несмешивающиеся жидкости вдруг стали идентичными и перемешались. Поверхностное натяжение исчезает, и видимый мениск пропадает.

История

Первым её заметил французский физик Шарль Каньяр де ла Тур в 1822 году. Он нагревал разные жидкости в запаянных стеклянных трубках и увидел, что при определённой температуре мениск (граница жидкости и пара) внезапно исчезает, и содержимое становится однородным туманом, а при охлаждении вновь разделяется.

Как работает

При нагреве плотность жидкости уменьшается, а плотность пара растёт. В критической точке они становятся одинаковыми — подобно тому, как если бы две несмешивающиеся жидкости вдруг стали идентичными и перемешались. Поверхностное натяжение исчезает, и видимый мениск пропадает.

История

В 1822 году Шарль Каньяр де ла Тур, нагревая жидкости в запаянных трубках, обнаружил, что при определённой температуре граница между жидкостью и паром внезапно исчезает. В 1869 году Томас Эндрюс, изучая диоксид углерода, ввёл понятие критической точки и доказал непрерывность жидкого и газообразного состояний. В XX веке Ландау и Лифшиц развили общую теорию фазовых переходов, включая критические явления, а Вильсон, применив ренормгрупповой подход, вычислил критические показатели.

Как работает

На молекулярном уровне при повышении температуры кинетическая энергия молекул растёт, ослабляя межмолекулярное притяжение. В критической точке тепловое движение полностью доминирует над силами сцепления, поэтому жидкость как отдельная фаза существовать не может. Термодинамически критическая точка определяется условием точки перегиба на изотерме: (∂p/∂V)_T = 0 и (∂²p/∂V²)_T = 0. Для газа Ван-дер-Ваальса эти условия дают критические параметры: T_c = 8a/(27Rb), p_c = a/(27b²), V_c = 3b. Вблизи критической точки малейшие возмущения вызывают огромные флуктуации плотности, что проявляется в критической опалесценции и замедлении релаксационных процессов. Флуктуации описываются теорией Ландау и скейлинговыми законами; принцип универсальности утверждает, что критические индексы (α для теплоёмкости, β для параметра порядка, γ для восприимчивости, δ для уравнения состояния) одинаковы для всех простых жидкостей и магнетиков.

Открытые проблемы и интересные факты

Построение полной теории критических явлений в неравновесных системах (активная материя).; Описание критической точки квантового фазового перехода при нулевой температуре.; Предсказание критических параметров сложных молекулярных смесей из первых принципов.

💡 Диоксид углерода имеет относительно низкую критическую температуру 31 °C, поэтому его сверхкритический флюид удобно использовать как растворитель для декофеинизации кофе — он проникает в зёрна, извлекает кофеин, а после снятия давления улетучивается без следа.