§ 6.4. Критическая температура. Критическое состояние

Определения и обозначения

Критическая температура — наибольшая температура, при которой газ можно перевести в жидкое состояние сжатием. Её обозначают Tкр. Это понятие показывает верхний предел обычного сжижения газа давлением.

Критическое состояние — состояние вещества при критических температуре, давлении и объёме, когда исчезает различие между жидкостью и паром. В нём нельзя провести отчётливую границу между фазами. Такое состояние соответствует особой точке на критической изотерме.

Критическое давление — давление вещества в критическом состоянии, обычно обозначаемое pкр. Оно вместе с Tкр характеризует вещество. По нему можно определить координату критической точки на диаграмме.

Критический объём — объём вещества в критическом состоянии, обозначаемый Vкр. Он нужен для описания критической точки и сравнения состояний разных веществ. Критические параметры рассматривают одновременно, а не по отдельности.

Как это устроено

При температуре ниже критической молекулы движутся не настолько быстро, чтобы полностью преодолеть силы притяжения. Поэтому при сжатии расстояния между ними уменьшаются, и часть газа объединяется в жидкость. На изотерме этому соответствует участок конденсации, где газовая и жидкая фазы существуют одновременно.

При повышении температуры движение молекул становится интенсивнее, поэтому жидкость образуется при всё большем давлении. Разность между плотностями жидкости и насыщенного пара уменьшается: пар становится плотнее, а жидкость — менее плотной. Из-за этого участок конденсации на изотерме постепенно сокращается.

При критической температуре плотности жидкости и насыщенного пара становятся равными. Граница между фазами исчезает, поэтому скачкообразного перехода уже нет. На графике критическая изотерма проходит через точку перегиба, в которой касательная горизонтальна.

Если температура выше критической, тепловое движение не позволяет молекулам устойчиво собраться в отдельную жидкую фазу. При сжатии вещество становится плотнее, но резкой границы между газом и жидкостью не возникает. Поэтому о сжижении обычным повышением давления в этом случае не говорят; сама критическая температура зависит от рода вещества.

Состояние вещества относительно критической температуры

Сначала сравните температуру вещества с Tкр, затем выберите соответствующую строку. По третьему столбцу можно определить, будет ли переход резким и появится ли граница между фазами. Таблица особенно полезна при решении задач на возможность сжижения.

Разбор задач

1. Возможность сжижения при разных температурах

Для вещества Tкр = 150 К нужно проверить условия при 120 К и 180 К. Решение зависит не от величины давления, а от того, ниже или выше заданная температура критической. Поэтому сначала сравним каждую температуру с 150 К.

1. 120 К < 150 К, значит, температура ниже критической и сжатие может вызвать конденсацию.
2. 180 К > 150 К, значит, температура выше критической и обычное сжижение одним сжатием невозможно.

Ответ: при 120 К вещество можно сжижить сжатием, а при 180 К — нельзя.

2. Критическая точка на изотермах

На графике изображены изотермы при разных температурах. Критической будет не самая высокая или самая низкая кривая сама по себе, а та, которая имеет особую геометрическую форму. Нужно искать точку перегиба с горизонтальной касательной.

1. Рассмотрите кривые и найдите изотерму, на которой исчезает участок конденсации.
2. На этой изотерме отметьте точку, где меняется характер выпуклости кривой.
3. Проверьте, что касательная в найденной точке горизонтальна: это и есть критическая точка.

Ответ: критическая температура соответствует изотерме с точкой перегиба и горизонтальной касательной, а критическая точка лежит в месте этого перегиба.

3. Сжатие газа выше критической температуры

Пусть газ имеет температуру выше Tкр и его сжимают, повышая давление. При такой температуре тепловое движение препятствует образованию отдельной жидкой фазы. Поэтому нужно объяснить не отсутствие плотности, а отсутствие резкого фазового перехода.

1. Сравните температуру газа с Tкр: она выше критической.
2. Следовательно, переход газ—жидкость при одном повышении давления невозможен.
3. При сжатии объём уменьшается и плотность растёт, но граница между фазами не появляется.

Ответ: выше критической температуры газ может стать плотнее, однако жидкость с отчётливой границей раздела одним сжатием не образуется.

Типичные ошибки

Сжиживать любой газ достаточно большим давлением. Ошибка возникает из-за представления, что давление всегда сильнее теплового движения. Проверьте себя: сначала сравните температуру с Tкр.

Путать критическую температуру с температурой кипения. Температура кипения меняется вместе с внешним давлением, а Tкр задаёт верхнюю границу сжижения сжатием. Если величина зависит от давления, это не критическая температура.

Считать критическое состояние просто состоянием с огромным давлением. Оно определяется сразу тремя параметрами: Tкр, pкр и Vкр. Проверьте, указаны ли все критические характеристики, а не только давление.

Принимать точку перегиба за участок конденсации. Участок конденсации означает сосуществование двух фаз, а в критической точке их различие исчезает. На графике ищите именно точку с горизонтальной касательной.

Связь с другими темами

Перед изучением темы нужно знать, что такое изотерма и как изображают зависимость давления газа от объёма. Также необходимы понятия испарения, конденсации и насыщенного пара. Критическое состояние связывает эти знания с фазовыми переходами и свойствами реальных газов. Позже оно поможет понять поведение веществ в сверхкритической области.

Что запомнить

• Критическая температура — максимальная температура сжижения газа сжатием.
• При температуре ниже критической сжатие может вызвать конденсацию.
• При критической температуре свойства жидкости и пара становятся неразличимы.
• Критическая точка лежит на критической изотерме.
• Выше критической температуры обычного перехода газа в жидкость при сжатии нет.
• Критические параметры зависят от вещества.