§32. Критическое состояние вещества

Определения и обозначения

Критическое состояние вещества — состояние при критической температуре и критическом давлении, когда различие между жидкостью и насыщенным паром исчезает. Вещество при этом остаётся, но жидкую и газообразную фазы уже нельзя разделить по свойствам. Это понятие нужно, чтобы описывать предел существования равновесия жидкости и пара.

Критическая температура — наибольшая температура, при которой газ можно превратить в жидкость повышением давления. Её обозначают Tкр. Сравнение температуры газа с Tкр сразу показывает, можно ли добиться сжижения одним сжатием.

Критическое давление — давление, соответствующее критической температуре и критическому состоянию вещества. Его обозначают pкр; вместе с Tкр оно задаёт условия, в которых жидкость и насыщенный пар становятся неразличимы. Это значение не следует путать с максимально возможным давлением.

Критическая точка — точка на фазовой диаграмме, соответствующая критическим значениям температуры и давления. Её координаты равны Tкр и pкр. По положению этой точки можно найти предел кривой равновесия жидкости и пара и понять, где заканчивается область их различия.

Как это устроено

При нагревании насыщенный пар получает больше энергии, поэтому всё больше частиц может покинуть жидкость. Давление насыщенного пара растёт, а его плотность становится выше. В то же время тепловое движение раздвигает частицы жидкости, и её плотность уменьшается; поэтому различие между двумя фазами постепенно сокращается.

По мере приближения к критической температуре плотности жидкости и насыщенного пара сближаются. Это связано с тем, что пар становится всё более плотным, а жидкость — менее плотной. В критической точке плотности совпадают, поэтому уже нельзя провести границу, по одну сторону которой была бы жидкость, а по другую — пар.

Ниже Tкр частицы газа можно сблизить сжатием настолько, что вещество перейдёт в жидкое состояние. Выше Tкр тепловое движение настолько интенсивно, что одного давления недостаточно для появления отдельной жидкой фазы. Поэтому при такой температуре газ не сжижается: сначала его нужно охладить ниже критической.

На диаграмме зависимости давления насыщенного пара от температуры каждой точке кривой соответствует равновесие жидкости и пара. С повышением температуры давление насыщенного пара увеличивается, поэтому кривая идёт вверх. Она заканчивается в точке K с координатами Tкр и pкр: за этой точкой кривая равновесия двух фаз продолжаться не может.

В критической точке плотности жидкости и пара сравниваются, а свойства фаз постепенно становятся одинаковыми. Поэтому поверхность, которая отделяла жидкость от пара, перестаёт существовать. Вещество не исчезает и не распадается на части — исчезает именно различие между его жидким и газообразным состояниями.

Состояния вещества при температурах ниже, равной и выше критической

Сравнивайте в таблице температуру вещества с Tкр, а затем смотрите, возможно ли разделить жидкость и пар. Для диаграммы помните: точка критического состояния — конец кривой равновесия. Давление само по себе не заменяет охлаждение, если температура уже выше критической.

Разбор задач

Задача 1. Критическая температура углекислого газа равна примерно 31 °C. Можно ли получить жидкий углекислый газ при 40 °C, увеличивая давление? Чтобы выбрать способ решения, нужно сравнить заданную температуру с предельной температурой сжижения.

1. Записываем значения: T = 40 °C, Tкр ≈ 31 °C.
2. Сравниваем: 40 °C > 31 °C, следовательно, углекислый газ находится выше критической температуры.
3. При T > Tкр повышение давления не превращает газ в жидкость; для сжижения потребуется сначала охладить его ниже 31 °C.

Ответ: нет, при 40 °C получить жидкий углекислый газ одним повышением давления нельзя.

Задача 2. Для вещества Tкр = 400 K. Определите, в каком состоянии оно может находиться при 350 K и большом давлении, а также при 450 K. Здесь важно не считать давление единственным условием перехода: сначала проверяют, по какую сторону критической температуры находится вещество.

1. При 350 K температура ниже критической: 350 K < 400 K. Большим давлением газ можно сжижать, поэтому вещество может перейти в жидкое состояние.
2. При 450 K температура выше критической: 450 K > 400 K. Одним сжатием жидкость получить нельзя.
3. Для сжижения во втором случае вещество сначала нужно охладить ниже 400 K.

Ответ: при 350 K и достаточном давлении возможно жидкое состояние; при 450 K сжижение одним повышением давления невозможно.

Задача 3. На фазовой диаграмме требуется найти критическую точку, определить Tкр и pкр и объяснить конец кривой равновесия жидкости и пара. Сначала находят график, на котором показана зависимость давления насыщенного пара от температуры, и прослеживают его до конца. В этой точке заканчивается возможность различать две фазы.

1. Находят конец кривой равновесия жидкости и насыщенного пара и обозначают его K.
2. Считывают координаты точки по осям: значение температуры является Tкр, а значение давления — pкр.
3. В точке K плотности жидкости и пара становятся одинаковыми, поэтому граница между фазами исчезает и продолжать кривую их равновесия выше этой точки нельзя.

Ответ: критическая точка — конец кривой равновесия; её координаты задают критические температуру и давление.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что любой газ можно сжижить достаточно большим давлением. Так рассуждают, потому что сжатие действительно помогает сблизить частицы, но при температуре выше Tкр оно не создаёт жидкую фазу. Проверьте себя: сначала сравните T газа с Tкр, и только затем делайте вывод о сжатии.

Ошибка — путать критическую температуру с температурой кипения. Кипение зависит от внешнего давления, поэтому температура кипения может меняться при изменении условий. Для проверки спросите себя, идёт ли речь о конкретном давлении или о пределе сжижения газа: во втором случае нужна Tкр.

Ошибка — говорить, что в критической точке исчезают жидкость и пар. Исчезает не вещество, а различие между его фазами и граница раздела; это происходит из-за совпадения плотностей. Чтобы проверить формулировку, уточните, что именно перестаёт наблюдаться: фазы как различимые состояния или само вещество.

Ошибка — считать pкр максимально возможным давлением. Такое впечатление может возникнуть из-за слова «критическое», однако pкр — лишь давление в критической точке, а не запрет на более высокие давления. Проверка простая: значение pкр относится к заданному состоянию вещества, а не задаёт общий предел давления.

Связь с другими темами

Для изучения критического состояния нужно знать агрегатные состояния, испарение, конденсацию и насыщенный пар. Также полезно понимать фазовое равновесие — состояние, при котором жидкость и пар существуют одновременно и не изменяются в среднем.

Тема связана с графиком зависимости давления насыщенного пара от температуры и чтением фазовых диаграмм. Умение находить на графике конец кривой и считывать координаты помогает определить Tкр и pкр.

Критическое состояние пригодится при изучении реальных газов, сжижения газов и фазовых переходов. Эти знания применяют, например, при рассмотрении холодильных установок, где вещества переводят из одного состояния в другое, изменяя температуру и давление.

Что запомнить

• Критическое состояние соответствует одновременному достижению критической температуры и критического давления.
• Критическая температура — максимальная температура сжижения газа повышением давления.
• При температуре выше критической газ нельзя превратить в жидкость только повышением давления.
• В критической точке плотности жидкости и пара становятся одинаковыми.
• В критической точке исчезает граница раздела между жидкостью и паром.
• Критическая точка является концом кривой равновесия жидкости и насыщенного пара.