Критическое состояние вещества. Т. Критическое состояние
Как превратить газ в жидкость? График кипения отвечает на этот вопрос. Превратить газ в жидкость можно, либо уменьшая температуру, либо увеличивая давление.
В XIX веке повышение давления представлялось задачей более легкой, чем понижение температуры. В начале этого столетия великому английскому физику Михаилу Фараде удалось сжать газы до значений упругости паров и таким способом превратить в жидкость много газов (хлор, углекислый газ и др.).
Однако некоторые газы - водород, азот, кислород - никак не поддавались сжижению. Сколько ни увеличивали давление, они не превращались в жидкость. Можно было подумать, что кислород и другие газы не могут быть жидкими. Их причислили к истинным, или постоянным, газам.
На самом же деле неудачи были вызваны непониманием одного важного обстоятельства.
Рассмотрим жидкость и пар, находящиеся в равновесии, и подумаем, что происходит с ними при возрастании температуры кипения и, разумеется, соответствующем возрастании давления. Иначе говоря, представим себе, что точка на графике кипения движется вдоль кривой вверх. Ясно, что жидкость при повышении температуры расширяется и плотность ее падает. Что же касается пара, то увеличение температуры кипения? разумеется, способствует его расширению, но, как мы уже говорили, давление насыщенного пара растет значительно быстрее, чем температура кипения. Поэтому плотность пара не падает, а, наоборот, быстро растет с увеличением температуры кипения.
Поскольку плотность жидкости падает, а плотность пара растет, то, двигаясь "вверх" по кривой кипения, мы неминуемо доберемся до такой точки, в которой плотности жидкости и пара сравняются (рис. 4.3).
В этой замечательной точке,- которая называется критической, кривая кипения обрывается. Так как все различия между газом и жидкостью связаны с разницей в плотности, то в критической точке свойства жидкости и газа становятся одинаковыми. Для каждого вещества существует своя критическая температура и свое критическое давление. Так, для воды критическая точка соответствует температуре 374°С и давлению 218,5 атм.
Если сжимать газ, температура которого ниже критической, то процесс его сжатия изобразится стрелкой, пересекающей кривую кипения (рис. 4.4). Это значит, что в момент достижения давления, равного упругости пара (точка пересечения стрелки с кривой кипения), газ начнет конденсироваться в жидкость. Если бы наш сосуд был прозрачным, то в этот момент мы увидели бы начало образования слоя жидкости на дне сосуда. При неизменном давлении слой жидкости будет расти, пока, наконец, весь газ не превратится в жидкость. Дальнейшее сжатие потребует уже увеличения давления.
Совершенно иначе обстоит дело при сжатии газа, температура которого выше критической. Процесс сжатия опять-таки можно изобразить в виде стрелки, идущей снизу вверх. Но теперь эта стрелка не пересекает кривую кипения. Значит, при сжатии пар не будет конденсироваться, а будет лишь непрерывно уплотняться.
При температуре выше критической невозможно существование жидкости и газа, поделенных границей раздела: При сжатии до любых плотностей под поршнем будет находиться однородное вещество, и трудно сказать, когда его можно назвать газом, а когда - жидкостью.
Наличие критической точки показывает, что между жидким и газообразным состоянием нет принципиального различия. На первый взгляд могло бы показаться, что такого принципиального различия нет только в том случае, когда речь идет о температурах выше критической. Это, однако, не так. Существование- критической точки указывает на возможность превращения жидкости - самой настоящей жидкости, которую можно налить в стакан - в газообразное состояние без всякого подобия кипения.
Такой путь превращения показан на рис. 4.4. Крестиком отмечена заведомая жидкость. Если немного понизить давление (стрелка вниз), она закипит, закипит она и в том случае, если немного повысить температуру (стрелка вправо). Но мы поступим совсем иначе, Сожмем жидкость весьма сильно, до давления выше критического. Точка, изображающая состояние жидкости, пойдет вертикально вверх. Затем подогреем жидкость - этот процесс изобразится горизонтальной линией. Теперь, после того как мы очутились правее Критической температуры, понизим давление до исходного. Если теперь уменьшить температуру, то можно получить самый настоящий пар, который мог быть получен из этой жидкости более простым и коротким путем.
Таким образом, всегда возможно, изменяя давление и температуру в обход критической точки, получить пар путем непрерывного перехода его из жидкости или жидкость из пара. Такой непрерывный переход не требует кипения или конденсации.
Ранние попытки сжижения таких газов, как кислород, азот, водород, потому и были неудачны, что не было известно о существовании критической температуры. У этих газов критические температуры очень низкие: у азота -147°С, у кислорода -119°С, у водорода -240°С, или 33 К. Рекордсменом является гелий, его критическая температура равна 4,3 К. Превратить эти газы в жидкость можно лишь одним" способом - надо снизить их температуру ниже указанной"
Температура тела - один из важнейших факторов, которые необходимы для обмена веществ. Она является показателем состояния организма и меняется в зависимости от влияния внешних и внутренних факторов. При плохом самочувствии и появлении критической температуры необходимо в срочном порядке обратиться в специализированное учреждение. Ведь это может быть предвестником множества заболеваний.
Факторы, влияющие на температуру тела
Меняется из-за влияния различных факторов, как окружающей среды, так и внутренних особенностей организма, например:
Подострая.
Хроническая.
Время суток. Температура очень часто меняется из-за изменения времени суток. В связи с этим утром температура тела может быть слегка пониженной (на 0,4-0,7 градусов), но не ниже, чем +35,9°С. А к вечеру температура наоборот может немного повышаться (на 0,2-0,6 градусов), но не выше, чем +37,2°С.
Возраст. У детей температура чаще всего выше, чем 36,6 градусов, а у взрослых людей, которые старше 60-65 лет, обычная температура понижается.
Состояние здоровья. Если в организме человека инфекция, то температура (для борьбы с ней) повышается.
Беременность. У беременных на ранних сроках температура не должна опускаться ниже 36 градусов и подниматься выше 37,5 градусов.
Индивидуальные особенности организма.
Влияние окружающей среды.
Классификация температуры тела
Если проанализировать разные показания термометра, температуру можно подразделить на несколько видов и классификаций.
Виды температуры по одной из классификаций (по уровню гипертермии):
Низкая и пониженная. Значение на термометре ниже 35°С.
Нормальная. Значение на термометре в пределах 35-37°С.
Субфебрильная. Значение на термометре в пределах 37-38°С.
Фебрильная. Значение на термометре в пределах 38-39°С.
Пиретическая. Значение на термометре в пределах 39-41°С.
Гиперпиретическая. Значение на термометре выше 41°С.
Деление температуры в зависимости от длительности:
Еще одна классификация видов температуры:
Гипотермия - низкая температура тела (менее 35°С).
Нормальная температура. Этот вид температуры тела колеблется между отметкой в 35-37°С и изменяется от многих факторов, о которых шла речь выше.
Гипертермия - повышенная температура тела (выше 37°С).
Температура тела в пределах нормы
Средний показатель температуры тела, как уже было сказано выше, может изменяться под действием разных факторов. Ее можно измерять не только в подмышечных впадинах, но и во рту, в полости уха, прямой кишке. В зависимости от этого данные на термометре могут различаться, значения критических температур будут гораздо выше или ниже норм, представленных здесь.
Во рту показания термометра будут выше на 0,3-0,6°С, чем при измерении в подмышечных впадинах, то есть здесь нормой будет считаться показатель 36,9-37,2°С. В прямой кишке показания термометра будут выше на 0,6-1,2°С, то есть норма - 37,2-37,8°С. В полости уха показания термометра будут такими же, как в прямой кишке, то есть 37,2-37,8°С.
Эти данные нельзя считать точными для каждого человека. По данным многих исследований, такие показатели встречаются у большинства людей - это примерно 90%, но у 10% людей нормальная температура тела отличается от большинства, и показатели могут колебаться в большую или меньшую сторону.
Чтобы узнать то, какая температура является нормой, нужно измерять и записывать показания в течение дня: утром, в обед и вечером. После всех замеров нужно найти среднее арифметическое всех показателей. Для этого нужно утренние, дневные и вечерние показатели сложить и разделить на 3. Полученное число является нормальной средней температурой тела для определенного человека.
Критическая температура тела
Критической может стать как сильно пониженная, так и сильно повышенная. Высокая температура у людей проявляется намного чаще низкой. При снижении температуры до 26-28°С появляется очень большой риск того, что человек впадет в кому, появятся проблемы с дыханием и сердцем, но эти цифры индивидуальны, так как есть множество подтвержденных историй о том, как после сильнейшего переохлаждения до 16-17°С людям удалось выжить. Например, история, в которой говорится о том, что человек провел около пяти часов в огромном сугробе без шанса выбраться и выжить, его температура снизилась до 19 градусов, но его смогли спасти.
Низкая температура тела
Границей пониженной температуры считается температура ниже, чем 36 градусов, либо начиная от 0,5 до 1,5 градусов ниже индивидуальной температуры человека. А границей низкой температуры считается та температура, которая ниже более, чем на 1,5°С от нормальной.
Причин понижения температуры много, например пониженный иммунитет, длительное нахождение на морозе, а исходя из этого переохлаждение тела, болезни щитовидки, стрессы, отравления, хронические заболевания, головокружения и даже банальная усталость.
Если температура тела понизилась до 35°С, то нужно срочно вызывать скорую помощь, т.к. этот показатель в большинстве случаев является критическим и могут возникнуть необратимые последствия!
Какая критическая температура должна насторожить?
Температура, которая начинается с отметки в 37 градусов, считается субфертильной и зачастую свидетельствует о наличии в организме воспалений, инфекций и вирусов. Температуру от 37 до 38 градусов нельзя сбивать с помощью препаратов, т.к. в организме происходит борьба между здоровыми клетками и болезнетворными.
Есть множество симптомов, которые свидетельствуют о повышении температуры, например: слабость, быстрая утомляемость, озноб, боли головы и мышц, потеря аппетита и потливость. На них стоит обращать повышенное внимание, чтобы не допустить повышения температуры до 38,5 градусов.
Критической температурой тела является показатель 42°С, а в большинстве случаев отметка в 40 градусов уже приводит к летальному исходу. Высокая температура приводит к необратимым последствиям в головном мозге, нарушается обмен веществ в тканях мозга.
В таком случае при повышении температуры, выше, чем 38,5 градусов важен постельный режим, прием жаропонижающих и обязательное обращение к врачу или звонок скорой помощи! Чтобы предотвратить летальный исход при очень высокой или низкой температуре не занимайтесь самолечением, а всегда обращайтесь к врачу, который сможет правильно определить причину такой температуры, поставить диагноз и назначить верное и действенное лечение!
2. Какую температуру называют критической?
Критическая температура - температура, при которой проводники переходят в сверхпроводящее состояние.3. Какой эффект называют изотопическим? Почему изотопический эффект является ключом к объяснению сверхпроводимости?
Изотопический эффект заключается в том, что квадрат температуры обратно пропорционален массе ионов в кристаллической решетке. Это значит, что при критической температуре структура кристаллической решетки сверхпроводника оказывает большое влияние на движение электронов - возникающие силы притяжения между электронами превышают кулоновские силы отталкивания.4. Чем отличается характер движения электронов в сверхпроводнике от их движения в проводнике? Как механически можно промоделировать движение куперовских пар в сверхпроводнике?
В проводнике электроны движутся независимо друг от друга, а в сверхпроводнике (при критической температуре) их движения взаимосвязаны. Если движение электронов в проводнике мы сравнивали с потоком шариков, скатывающимся по наклонной плоскости и натыкающимся на штыри, то движение электронов в сверхпроводнике можно представить как движение наклонной плоскости, но шариков попарно связанных пружинами.5. Почему сверхпроводимость исчезает при температуре выше критической? Чем объясняется перспективность разработок высокотемпературных сверхпроводников?
При температурах больше критической электроны снова начинают двигаться хаотично, куперовские пары разрушаются. Перспективность разработок высокотемпературных сверхпроводников позволит уменьшить потери энергии при передаче на большие расстояния, увеличить быстродействие компьютеров.Если некоторое количество жидкости поместить в закрытый сосуд, то часть жидкости испарится и над жидкостью будет находиться насыщенный пар. Давление, а следовательно, и плотность этого пара зависят от температуры. Плотность пара обычно значительно меньше плотности жидкости при той же температуре. Если повысить температуру, то плотность жидкости уменьшится (§ 198), давление же и плотность насыщенного пара возрастут. В табл. 22 приведены значения плотности воды и насыщенного водяного пара для разных температур (а следовательно, и для соответствующих давлений). На рис. 497 эти же данные приведены в виде графика. Верхняя часть графика показывает изменение плотности жидкости в зависимости от ее температуры. При повышении температуры плотность жидкости уменьшается. Нижняя часть графика показывает зависимость плотности насыщенного пара от температуры. Плотность пара увеличивается. При температуре, соответствующей точке , плотности жидкости и насыщенного пара совпадают.
Рис. 497. Зависимость плотности воды и ее насыщенного пара от температуры
Таблица 22. Свойства воды и ее насыщенного пара при разных температурах
|
Температура, |
Давление насыщенного пара, |
Плотность воды, |
Плотность насыщенного пара, |
Удельная теплота парообразования, |
Из таблицы видно, что чем выше температура, тем меньше разница между плотностью жидкости и плотностью ее насыщенного пара. При некоторой температуре (у воды при ) эти плотности совпадают. Температуру, при которой плотности жидкости и ее насыщенного пара совпадают, называют критической температурой данного вещества. На рис. 497 ей соответствует точка . Давление, соответствующее точке , называют критическим давлением. Критические температуры различных веществ сильно разнятся между собой. Некоторые из них приведены в табл. 23.
Таблица 23. Критическая температура и критическое давление некоторых веществ
|
Вещество |
Критическая температура, |
Критическое давление, атм |
Вещество |
Критическая температура, |
Критическое давление, атм |
|
Углекилый газ |
|||||
|
Кислород |
|||||
|
Спирт этиловый |
|||||
На что указывает существование критической температуры? Что будет при еще более высоких температурах?
Опыт показывает, что при температурах, более высоких чем критическая, вещество может находиться только в газообразном состоянии. Если мы будем уменьшать объем, занятый паром, при температуре выше критической, то давление пара возрастает, но он не становится насыщенным и продолжает оставаться однородным: как бы велико ни было давление, мы не обнаружим двух состояний, разделенных резкой границей, как это всегда наблюдается при более низких температурах вследствие конденсации пара. Итак, если температура какого-нибудь вещества выше критической, то равновесие вещества в виде жидкости и соприкасающегося с ней пара невозможно ни при каком давлении.
Критическое состояние вещества можно наблюдать при помощи прибора, изображенного на рис. 498. Он состоит из железной коробки с окнами, которую можно нагревать выше («воздушная баня»), и находящейся внутри бани стеклянной ампулы с эфиром. При нагревании бани мениск в ампуле поднимается, делается более плоским и, наконец, исчезает, что и свидетельствует о переходе через критическое состояние. При охлаждении бани ампула внезапно мутнеет вследствие образования множества мельчайших капелек эфира, после чего эфир собирается в нижней части ампулы.
Рис. 498. Прибор для наблюдения критического состояния эфира
Как видно из табл. 22, по мере приближения к критической точке удельная теплота парообразования становится все меньше и меньше. Это объясняется тем, что при повышении температуры уменьшается различие внутренних энергий вещества в жидком и парообразном состояниях. В самом деле, силы сцепления молекул зависят от расстояний между молекулами. Если плотности жидкости и пара отличаются мало, то мало отличаются и средние расстояния между молекулами. Следовательно, при этом будут мало отличаться и значения потенциальной энергии взаимодействия молекул. Второе слагаемое теплоты парообразования - работа против внешнего давления - тоже уменьшается по мере приближения к критической температуре. Это следует из того, что чем меньше различие в плотностях пара и жидкости, тем меньше расширение, происходящее при испарении, и, значит, тем меньше совершаемая при испарении работа.
На существование критической температуры впервые указал в 1860г. Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907), русский химик, открывший основной закон современной химии - периодический закон химических элементов. Большие заслуги в изучении критической температуры имеет английский химик Томас Эндрюс, произведший обстоятельное исследование поведения углекислоты при изотермическом изменении занимаемого ею объема. Эндрюс показал, что при температурах ниже в замкнутом сосуде возможно сосуществование углекислоты в жидком и в газообразном состояниях; при температурах выше такое сосуществование невозможно и весь сосуд наполнен только газом, как бы ни уменьшать его объем.
После открытия критической температуры стало понятно, почему долго не удавалось превратить в жидкость такие газы, как кислород или водород. Их критическая температура очень низка (табл. 23). Чтобы превратить эти газы в жидкость, их нужно охладить ниже критической температуры. Без этого все попытки их сжижения обречены на неудачу.
На рис. 123.1 приведены изотермы для нескольких значений температуры. Из рисунка видно, что с повышением температуры горизонтальный участок изотермы сокращается, стягиваясь в точку при температуре TKV, называемой критической. Соответственно уменьшается различие в удельных объемах, а следовательно, и в плотностях жидкости и насыщенного пара. При критической температуре это различие полностью исчезает. Одновременно исчезает всякое различие между жидкостью и паром. Температурный ход плотности жидкости и насыщенного пара показан на рис. 123.2.
Точка К, являющаяся пределом, к которому приближаются горизонтальные отрезки изотерм при стремлении температуры к критическому значению именуется критической точкой. Состояние, изображаемое точкой называется критическим состоянием вещества. Объем , давление и температура отвечающие критическому состоянию, называются критическими величинами.
Для критической изотермы точка К служит точкой перегиба. Касательная к изотерме в точке К расположена параллельно оси V.
Из рис. 123.1 следует, что давление насыщенного пара растет с температурой, достигая при критической температуре значения При температурах выше критической понятие насыщенного пара теряет смысл.
Поэтому кривая зависимостивления насыщенного пара от температуры заканчивается в критической точке (см. рис. 121.2).
Если провести линию через крайние точки горизонтальных участков изотерм (рис. 123.1), получается колоколообразная кривая, ограничивающая область двухфазных состояний вещества. При температурах выше критической вещество при любом давлении оказывается однородным. При таких температурах никаким сжатием не может быть осуществлено ожижение вещества.
Понятие критической температуры впервые было введено Д. И. Менделеевым в 1860 г. Менделеев назвал ее температурой абсолютного кипения жидкости и рассматривал как ту температуру, при которой исчезают силы сцепления между молекулами и жидкость превращается в пар, независимо от давления и занимаемого ею объема.
Колоколообразная кривая и участок критической изотермы, лежащий слева от точки делят диаграмму (, V) на три области (рис. 123.3). Наклонной штриховкой помечена область однородных жидких состояний вещества. Под колоколообразной кривой располагается область двухфазных состояний и, наконец, область, лежащая справа от колоколообразной кривой и верхней ветви критической изотермы, представляет собой область однородных газообразных состояний вещества. В последней можно особо выделить часть, лежащую под прабой ветвью критической изотермы, назвав ее областью пара.
Любое состояние в этой области отличается от остальных газообразных состояний в том отношении, что при изотермическом сжатии вещество, первоначально находившееся в таком состоянии, претерпевает процесс ожижения. Вещество, находящееся в одном из состояний при температуре выше критической, не может быть ожижено никаким сжатием. Подразделение газообразных состояний на газ и пар не является общепринятым.
Выбрав процеее перехода так, чтобы он не пересекал двухфазную область (рис. 123.4), можно осуществить переход из жидкого состояния в газообразное (или обратно) без расслаивания вещества на две фазы. В этом случае в процессе перехода вещество будет все время оставаться однородным.
