Определение критической температуры. Критическая температура

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.

Температура тела - показатель теплового состояния организма человека или другого живого организма, который отражает соотношение между выработкой тепла различных органов и тканей и теплообменом между ними и внешней средой.

Температура тела зависит от:

— возраста;
— времени суток;
— воздействие на организм окружающей среды;
— состояния здоровья;
— беременности;
— особенностей организма;
— других факторов, которые еще не выяснены.

Виды температуры тела

В зависимости от показаний термометра, выделяют следующие виды температуры тела:

— меньше 35°С;
— 35°С — 37°С;
— Субфебрильная температура тела: 37°С — 38°С;
— Фебрильная температура тела: 38°С — 39°С;
— Пиретическая температура тела: 39°С — 41°С;
— Гиперпиретическая температура тела: выше 41°С.

По другой классификации выделяют следующие разновидности температуры тела (состояния организма):

— Гипотермия. Температура тела опускается ниже 35°С;
— Нормальная температура. Температура тела находится в промежутке от 35°С до 37°С (в состояния организма, возраста, пола, момента измерения и других факторов);
— Гипертермия. Температура тела поднимается выше 37°С;
— Лихорадка. Повышение температуры тела, которое в отличии от гипотермии происходит в условиях сохранения механизмов терморегуляции организма.

Пониженная температура тела встречается реже, нежели повышенная или высокая, но тем не менее, она также достаточно опасная для жизни человека. Если температура тела понижается до 27°С и ниже, есть вероятность попадания человека в кому, хотя случаются случаи, когда люди выживали при и до 16°С.

Пониженной считается температура взрослого здорового человека ниже 36,0°C. В других случаях, пониженной температурой следует считать температуру, которая на 0,5°С – 1,5°С ниже Вашей нормальной температуры.

Низкой считается температура тела , которая ниже более чем на 1,5°С от нормальной температуры Вашего тела, или же если Ваша температура опустилась ниже 35°С (гипотермия). В этом случае необходимо срочно вызывать врача.

Причины пониженной температуры:

— слабый иммунитет;
— сильное переохлаждение;
— последствие перенесенной болезни;
— болезни щитовидной железы;
— лекарственные препараты;
— пониженный гемоглобин;
— гормональный дисбаланс
— внутренние кровотечения;
— отравления
— усталость и др.

Основными и самыми частыми симптомами пониженной температуры являются упадок сил и .

Нормальная температура тела, как отмечают многие специалисты, в основном зависит от возраста и времени суток.

Рассмотрим значения верхней границы нормальной температуры тела у людей различного возраста, если измерять ее под мышкой:

— нормальная температура у новорожденных: 36,8°С;
— нормальная температура у 6 месячных младенцев: 37,4°С;
— нормальная температура у 1 годичных детей: 37,4°С;
— нормальная температура у 3 годичных детей: 37,4°С;
— нормальная температура у 6 летних детей: 37,0°С;
— нормальная температура у взрослых: 36,8°С;
— нормальная температура у взрослых старше 65 лет: 36,3°С;

Если же меряете температуру не под мышками, то показания термометра (градусника) будут отличаться:

— во рту — больше на 0,3-0,6°С;
— в полости уха — больше на 0,6-1,2°С;
— в прямой кишке — больше на 0,6-1,2°С.

Стоит отметить, что вышеприведенные данные основаны на исследовании 90% пациентов, но в то же время, у 10% наблюдается температура тела, которая отличается в большую или меньшую сторону, и при этом, они абсолютно здоровы. В таких случаях для них это также является нормой.

В целом, колебания температуры в большую или меньшую сторону от нормы, более чем на 0,5-1,5°С является реакцией на любые нарушения в работе организма. Другими словами - это знак, что организм распознал болезнь и начал с ней бороться.

Если Вы желаете узнать точный показатель Вашей нормальной температуры, обратитесь к лечащему врачу. Если такой возможности нет, тогда сделайте это самим. Для этого необходимо на протяжении нескольких дней, когда Вы отлично себя чувствуете сделать измерения температуры, утром, днем и вечером. Показания термометра запишите в тетрадь. Потом отдельно сложите все показатели утренних, дневных и вечерних замеров и разделите сумму на количество замеров. Среднее значения и будут Вашей нормальной температурой.

Повышенная и высокая температура тела делится на 4 вида:

— Субфебрильная: 37°С — 38°С.
— Фебрильная: 38°С — 39°С.
— Пиретическая: 39°С — 41°С.
— Гиперпиретическая: выше 41°С.

Максимальная температура тела , которая считается критической, т.е. при которой человек умирает - 42°С. Она опасна тем, что в тканях головного мозга нарушается обмен веществ, что практически умерщвляет весь организм.

Причины высокой температуры может указать только врач. Наиболее же частыми причинами являются вирусы, бактерии и другие инородные микроорганизмы, которые проникают в тело через ожоги, нарушение , воздушно-капельным путем и др.

Симптомы повышенной и высокой температуры

— Впервые температура человеческого тела (оральная температура) была измерена в Германии в 1851 году с помощью одного из первых образцов появившихся ртутных термометров.

— Самая низкая в мире температура тела 14,2 °C зафиксирована 23 февраля 1994 года у 2-летней канадской девочки, проведшей 6 часов на морозе.

— Самая высокая температура тела была зарегистрирована 10 июля 1980 года в больнице в городе Атланте, США у 52-летнего Уилли Джонса, получившего тепловой удар. Температура его оказалась равна 46,5 °C. Из больницы пациент был выписан через 24 дня.

Критическая температура (critical temperature) - температура, выше которой газ не может быть превращён в жидкость ни при каком давлении. Выше К.т. процессы конденсации и испарения становятся невозможными; давление, соответствующее критической температуре, называется критическим давлением. Критическая точка - сочетание значений температуры и давления (или, что эквивалентно, молярного объёма ), при которых исчезает различие в свойствах жидкой и газообразной фаз вещества. Критическая температура фазового перехода - значение температуры в критической точке. При температуре выше критической температуры газ невозможно сконденсировать ни при каком давлении. В критической точке плотность жидкости и её насыщенного пара становятся равны, а поверхностное натяжение жидкости падает до нуля, поэтому исчезает граница раздела фаз жидкость-пар. Для смеси веществ критическая температура не является постоянной величиной и может быть представлена пространственной кривой (зависящей от пропорции составляющих компонентов), крайними точками которой являются критические температуры чистых веществ - компонентов рассматриваемой смеси. Критической точке (Критическая температура ) на диаграмме состояния вещества соответствуют предельные точки на кривых равновесия фаз, в окрестностях точки фазовое равновесие нарушается, происходит потеря термодинамической устойчивости по плотности вещества. По одну сторону от критической точки вещество однородно (обычно при ), а по другую - разделяется на жидкость и пар. В окрестностях точки наблюдаются критические явления: из-за роста характеристических размеров флуктуаций плотности резко усиливается рассеяние света при прохождении через вещество - при достижении размеров флуктуаций порядков сотен нанометров, т. е. длин волн света, вещество становится непрозрачным - наблюдается его критическаяопалесценция. Рост флуктуаций приводит также к усилению поглощения звука и росту его дисперсии, изменению характера броуновского движения, аномалиям вязкости, теплопроводности, замедлению установления теплового равновесия и т. п. Впервые явление критического состояния вещества (Критическая температура ) было обнаружено в 1822 году Шарлем Каньяром де Ла-Туром, а в 1860 году повторно открыто Д.И.Менделеевым. Систематические исследования начались с работ Томаса Эндрюса. Практически явление критической точки можно наблюдать при нагревании жидкости, частично заполняющей запаянную трубку. По мере нагрева мениск постепенно теряет свою кривизну, становясь всё более плоским, а при достижении критической температуры перестает быть различимым. Критические точки существуют не только для чистых веществ, но и, в некоторых случаях, для их смесей и определяют параметры потери устойчивости смеси (с разделом фаз) - раствор (одна фаза). Примером такой смеси может служить смесь фенол-вода. Простые газы в критической точке, по некоторым данным, обладают свойством сжатия до сверхвысоких плотностей без роста давления, при условии строгого поддержания температуры, равной критической точке, и высокой степени их чистоты (молекулы инородных газов становятся ядрами перехода в газообразную фазу, что ведет к лавинообразному росту давления). Иными словами, вещество сжимается, как газ, но сохраняет давление, равное таковому в жидкости. Реализация этого эффекта на практике позволит сверхплотное хранение газов. Критическая температура сверхпроводника - температура, при охлаждении до которой происходит переход материала в сверхпроводящее состояние. В 1911 г. было обнаружено, что у ртути при температуре 4,2 К электрическое сопротивление падает до нуля - ртуть становится сверхпроводящей, после чего подобные свойства были обнаружены и у других чистых веществ и соединений. На пути широкого практического применения сверхпроводящих материалов стоит задача создания сверхпроводящих материалов с «высокой» критической температурой - практически достижимой в коммерческих условиях. Критическая температура мицеллообразования (Температура Крафта (англ. Krafft temperature ) - температура, выше которой растворимость поверхностно-активного вещества (ПАВ) резко возрастает, и достигается критическая концентрация мицеллообразования. Температура (точка) Крафта - это нижний температурный предел мицеллообразования ионных ПАВ, например,лаурилсульфата натрия, входящего в состав бытовых моющих средств. Она зависит от природы гидрофобных групп и ионного состава детергента. Растворимость неионных ПАВ, напротив, падает с повышением температуры. Их характерной величиной является «точка помутнения», то есть верхний температурный предел мицеллообразования, выше которого в системе ПАВ - растворитель происходит расслоение фаз, изменяющее её оптические свойства. In thermodynamics, a critical point (or critical state ) (Критическая температура ) is the end point of a phase equilibrium curve. The most prominent example is the liquid-vapor critical point, the end point of the pressure-temperature curve that designates conditions under which a liquid and its vapor can coexist. At the critical point, defined by a critical temperature T c and a critical pressure p c , phase boundaries vanish. Other examples include the liquid–liquid critical points in mixtures. For simplicity and clarity, the generic notion of critical point is best introduced by discussing a specific example, the liquid-vapor critical point. This was historically the first critical point to be discovered, and it is still the best known and most studied one. The figure to the right shows the schematic PT diagram of a pure substance (as opposed to mixtures, which have additional state variables and richer phase diagrams, discussed below). The commonly known phases solid , liquid and vapor are separated by phase boundaries, i.e. pressure-temperature combinations where two phases can coexist. At the triple point, even all three phases coexist. However, the liquid-vapor boundary terminates in an endpoint at some critical temperature T c and critical pressure p c . This is the critical point . In water, the critical point occurs at around 647 K (374 °C; 705 °F) and 22.064 MPa (3200 PSIA or 218 atm). In the vicinity of the critical point, the physical properties of the liquid and the vapor change dramatically, with both phases becoming ever more similar. For instance, liquid water under normal conditions is nearly incompressible, has a low thermal expansion coefficient, has a high dielectric constant, and is an excellent solvent for electrolytes. Near the critical point, all these properties change into the exact opposite: water becomes compressible, expandable, a poor dielectric, a bad solvent for electrolytes, and prefers to mix with nonpolar gases and organic molecules. At the critical point, only one phase exists. The heat of vaporization is zero. There is an inflection point in the constant-temperature line (critical isotherm ) on a PV diagram. This means that at the critical point:

(Критическая температура )

The critical isotherm with the critical point K

History

Carbon dioxide exuding fogwhile cooling from supercritical to critical temperature

The existence of a critical point was first discovered by Charles Cagniard de la Tour in 1822 and named by Dmitri Mendeleev in 1860and Thomas Andrews in 1869. Cagniard showed that CO 2 could be liquefied at 31 °C at a pressure of 73 atm, but not at a slightly higher temperature, even under pressures as high as 3,000 atm.

Theory

Уже давно возникла мысль, что, увеличивая давление и одновременно понижая температуру, можно довести обычные газы, так же как и ненасыщающие пары, до состояния насыщения и обратить их затем в жидкость. Таким способом, английский учёный Фарадей обратил в жидкость ряд газов: аммиак, углекислый газ, хлор и др. Но такие газы, как кислород, азот, водород, окись углерода, окись азота и метан, не обращались в жидкость даже при сжатии до 3000 ат и при охлаждении до –110° С. Нужно было выяснить причины этого явления.

Проблемой сжижения газов занимался и великий русский учёный Д. И. Менделеев. В то время как его предшественники в своих рассуждениях о сжижении газов исходили из подобия этого процесса процессу превращения ненасыщающего пара в жидкость, Менделеев обратил внимание на условия обратного процесса–перехода жидкости в пар.

Изучив эти условия, Менделеев пришёл к выводу о существовании для каждого вещества такой температуры, выше которой вещество находится в газообразном состоянии. Эту температуру Менделеев назвал температурой абсолютного кипения . Впоследствии она стала называться критической температурой .

Что это за температура? Чтобы ответить на этот вопрос, проделаем следующий опыт.

Поместим в воздушную ванну запаянную трубку, часть объёма которой занята жидкостью, остальная часть – насыщающим паром, и будем её нагревать. При нагревании плотность жидкости и плотность пара в трубке будут изменяться.

В качестве примера построим графики изменения плотности воды и водяного пара от температуры. Для этого по оси абсцисс будем откладывать температуру, а по оси ординат – плотности жидкости и пара.

Так как жидкость при нагревании расширяется, то кривая CD, показывающая плотность жидкости в зависимости от температуры, опускается, указывая на уменьшение плотности жидкости по мере повышения температуры.

А так как при повышении температуры жидкость испаряется, то плотность пара возрастает. Это возрастание плотности пара на графике изображено кривой линией АВ.

Кривая АВ расположена ниже кривой CD, так как при всякой температуре плотность пара в присутствии жидкости меньше плотности жидкости.

По мере повышения температуры плотность жидкости уменьшается, а плотность пара увеличивается. Кривая CD будет опускаться вниз, а кривая АВ подниматься вверх. Обе кривые сливаются в некоторой точке К, которая называется критической точкой , а температура, при которой происходит слияние кривых, называется критической температурой . Критической точке К соответствует особое состояние вещества, называемое критическим, при котором исчезает всякое различие между жидкостью и ее насыщающим паром.

Давление и удельный объём вещества (объём единицы массы) в критическом состоянии называются также критическими.

Первые систематические работы по определению критических температур различных веществ были проведены русскими учёными М. П. Авенариусом, А. И. Надеждиным и другими.

Критическое состояние эфира Авенариус изучал на специальном приборе. В трубочке, помещённой в воздушную ванну, эфир находится частью в жидком, частью в парообразном состоянии. При комнатной температуре оба эти состояния резко разграничены вогнутым мениском жидкости (эфир смачивает стекло). При нагревании трубочки вогнутая граница раздела постепенно выпрямляется и сразу, исчезает при критической температуре эфира, равной 194° С. Выше этой температуры эфир в трубочке находится в газообразном состоянии. Постепенно охлаждая после этого трубочку, можно наблюдать критическое состояние эфира (содержимое в трубочке потемнеет), а за ним и появление границы, разделяющей жидкость и пар.

В следующей таблице приведены критические температуры и критические давления некоторых химических веществ.

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

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

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.