نقطة حرجة (ديناميكا حرارية)

عودة للموسوعة

نقطة حرجة (ديناميكا حرارية)

مخطط أطوار المادة، تظهر فيه النقطة الحرجة (critical point).

النقطة الحرجة حسب المفهوم الفهمي في الكيمياء الفيزيائية والتحريك الحراري وفيزياء المواد المكثفة هي النقطة من الضغط ودرجة الحرارة التي لا يوجد فيها فواصل واضحة بين حالات المادة، (مثل فواصل بين الحالة السائلة، والحالة الصلبة، أوالحالة الغازية).

عملى سبيل المثال تُعهد درجة الحرارة الحرجة بأنها درجة الحرارة التي التي فوقها لا يمكن التمييز بين الحالة الغازية والسائلة لمادة ما، مثل الماء والكحول وثاني أكسيد الكربون.

درجة الحرارة الحرجة التي فوقها لا يمكن حتى توجد الحالة السائلة للمادة مهما كان الضغط المطبق عليها، وتكون المادة في حالة بين الحالة السائلة والحالة الغازية، بدون سطح فاصل بينهما.

مخطط الطور

مخطط الطور لثاني أكسيد الكربون :s صلب، وسائل (l), وغاز (g)، وسائل فوق حرج (sc)

يبين الشكل رسما بيانيا للثلاثة حالات للماء : الحالة السائلة، والحالة الغازية (بخار)، والحالة الصلبة (ثلج). ويبين المخطط تحول تلك الحالات من واحدة إلى أخرى تحت تأثير درجة الحرارة (المحور السيني) والضغط (المحور الرأسي)، وذلك باعتبار حتى الحجم ثابت لا يتغير.

يمثل الخط الأزرق غليان الماء وتحوله إلى بخار، حيث تكون الحالتان موجودتان كالمعتاد ومنفصلتان. بارتفاع الضغط ترتفع درجة حرارة الغليان وبالعكس عندما ينخفض الضغط تنخفض تبعا درجة حرارة الغليان. وطالما نتحرك على الخط الأزرققد يكون لدينا حالتين (ماء وبخار) في توازن، أي ماء يغلى وفوقه بخار ساخن. ويمكننا الاستمرار في حمل الضغط ودرجة الحرارة حتي نصل إلى النقطة الحرجة (critical point). وعندها نصل إلى حالة لاقد يكون فيها الماء سائلا ولا بخارا، بل هي حالة تجمع بين الاثنين في مخلوط مشبع عالي الضغط والحرارة. وتبلغ النقطة الحرجة للماء عند درجة حرارة 647 كلفن أو374 درجة مئوية. ويصل الضغط عند تلك النقطة إلى 218 ضغط جوي.في الرسم الخط الأخضر الصلب (غير المنقط)لا يمثل حالة الماءوقد يمثل مواد أخرى غير الماء.ولكن الخط الأخضر المنقط يمثل حالات الأتزان بين طور الماء وطور الثلج عند درجات حراره وضغوط مختلفة.

تعمل محطات القوي لاستغلال الماء وبخاره في تلك الحالة لتوليد الطاقة الكهربائية بوساطة التوربينات. وكما نعهد من دورة كارنوترتفع كفاءة الإنتاج بارتفاع درجة حرارة البخار. لذلك تبذل محطات التوليد مجهودات لتسخين تلك الحالة المائية البخارية لدرجات أعلى من درجة النقطة الحرجة 374 درجة مئوية، لكي تحمل كفاءة تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية.


المشاهدة العملية

يمكن مشاهدة الانتنطق من الحالة تحت الحرجة إلى الحالة فوق الحرجة معمليا، حيث يظهر اختلاف أطوار المادة بوضوح.

تحفط المادة في أنبوب من زجاج الكوارتز السميك لتحمل الضغوط العالية تحت ضغط معين عند درجة حرارة أقل من النقطة الحرجة. في تجربتنا هذه نجري التجربة على ثاني أكسيد الكربون الذي تبلغ درجته الحرجة 31 درجة مئوية.قد يكون الأنبوب ممتلئا في تلك الحالة بكمية من السائل وفوق سطحه يوجد بخاره. كلا الطورين قد يكون عديم اللون ويفصلهما سطح فاصل واضح ويمكن الرؤية خلالهما. وعند التسخين عند درجة حرارة أقل من الدرجة لحرجة يتمدد السائل بسبب التمدد الحراري بينما يقل حجم البخار نظرا لارتفاع الضغط. وعندما تصل درجة الحرارة إلى الدرجة الحرجة يتكون ضبابا أبيضا في جميع الأنبوب لمدة قصيرة، ثم ينقشع ويختفي بزيادة ازدياد درجة الحرارة.

إذا أجرينا التجربة على الإيثان فدرجته الحرجة 32درجة مئوية وضغطة الحرج 49 ضغط جوي (49 بار). وكلا من الميثان وثاني أكسيد الكربون ليس له لون، ويظهر لكل منهما ضباب أبيض عد النقطة الحرجة.

في تجربتنا على ثاني أكسيد الكربون ومع ازدياد درجة الحرارة فوق النقطة الحرجةقد يكون الأنبوب ممتلئا بطور واحد شفاف، وتسمى تلك الحالة " سائل فوق حرج". ثم نهجر الأنبوب ليبرد فيظهر الضباب الأبيض من حديث لمدة قصيرة (عند النقطة الحرجة) وسرعان ما ينفصل السائل عن بخاره مع استمرار التبريد ويصبح السطح الفاصل بينهما واضحا وتعود شفافيتهما.

تطبيقات

تتميز السوائل فوق الدرجة الحرجة بقدرة عالية على الإذابة ودرجة لزوجة منخفضة. كما تتبخر تلك السوائل في تلك الحالة لحظيا. ولذلك يمكن استخدامها كمذيبات تحت الضغط العالي. وتستغل تلك الحالة للسوائل لإنتاج المسحوقات ذات الحبيبات الدقيقة جدا.

يُستغل ثاني أكسيد الكربون - وله درجة حرجة - لاستخلاص الكافيين من القهوة والشاي، تلك الأنواع التي تباع في الأسواق لبعض مريديها من الجمهور.

ويمكن إذابة أكسيد السيليكون SiO2 في الماء فوق الدرجة الحرجة، ثم تُـجرى عملية لبلورته واستخلاص بلورات نقية للسيليكون أحادية التبلر Quarz تُستعمل بعد تقطيعها في صناعة الساعات.

كما يستخدم الماء فوق الدرجة الحرجة كمذيب في الصناعات الكيماوية وخاصة في صناعة الأدوية لاستخلاص بعض المواد الطبية من الدهون أواللحوم التي يصعب استخلاصها بالطرق المعتادة.

النقطة الحرجة لسائل-بخار لبعض المواد

المادة النقطة الحرجة (درجة مئوية) الضغط الحرج(بار)
أرجون (عنصر) -122.4 48.1
الأمونيا 132.4 111.3
بروم 310.8 102
سيزيوم 1664.85 94
كلور 144 76
إيثانول 241 °C 62
فلور -128 51
الهيليوم -268 24و2
الهيدروجين -239.95 12.8
الكريبتون -63.8 54.3
الميثان -82.3 45.79
النيون -228.75 27.2
النيتروجين -146.9 33.5
الأكسجين -118.6 49.8
ثاني أكسيد الكربون 31.04 72.8
الزئبق 1476.9 1720
الكبريت 1040 207
الحديد 8227
المضى 6977 5000
الماء 373.946 217.7

سوائل فوق الحرجة لمحرك الاحتراق الداخلي

تجرى أبحاث بغرض تطبيق السوائل فوق الحرجة في تشغيل محرك احتراق داخلي. طبقا لتلك الفكرة حتى تٌحمل درجة حرارة الوقود السائل فوق الدرجة الحرجة قبل حقنها في أسطوانة المحرك. فيصبح الوقود قابلا للاشتعال الذاتي وبذلك يمكن الاستغناء عن شمعة الإشعال. وطبقا لما تورده بعض الوسائل الاعلامية فهناك أمل في خفض استهلاك الوقود إلى ثلاثة لتر/ 100 كيلومتر. كما تعلق آمال على حتى تؤدي تلك التقنية إلى تحسين عمليات الاحتراق لأنواع أخرى من الوقود.


المراجع

  1. ^ Sven Horstmann, "Theoretische und experimentelle Untersuchungen zum Hochdruckphasengleichgewichtsverhalten fluider Stoffgemische für die Erweiterung der PSRK-Gruppenbeitragszustandsgleichung", Doktorarbeit, C.-v.-O. Universität Oldenburg, 2000
  2. ^ Emsley, John (1991). The Elements ((Second Edition) ed.). Oxford University Press. ISBN .
  3. ^ Thermodynamics: An Engineering Approach ((Fourth Edition) ed.). McGraw-Hill. 2002. p. 824. ISBN . Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)
  4. ^ http://www.engineeringtoolbox.com/ammonia-d_971.html
  5. ^ International Association for the Properties of Water and Steam, 2007.
  6. ^ "Critical Temperature and Pressure". Purdue University. Retrieved 2006-12-19.
  7. ^ http://www.tscombustion.com/
  8. ^ http://www.heise.de/tr/artikel/Ueberkritische-Verbesserung-948750.html

أنظر أيضا

  • نقطة ثلاثية
  • درجة الحرارة الحرجة
  • دورة كارنو
تاريخ النشر: 2020-06-04 13:07:11
التصنيفات: Pages with citations using unsupported parameters, فيزياء المواد المكثفة, تغيرات الأطوار, حرارة

مقالات أخرى من الموسوعة

سحابة الكلمات المفتاحية، مما يبحث عنه الزوار في كشاف:

آخر الأخبار حول العالم

" وقف أسوأ أشكاله".. ورشة إقليمية تبحث عمل الطفل

المصدر: اليوم - السعودية التصنيف: سياسة
تاريخ الخبر: 2022-10-23 21:24:46
مستوى الصحة: 51% الأهمية: 59%

أبرز التدابير الجبائية المقترحة في مشروع قانون المالية لسنة 2023

المصدر: كِشـ24 - المغرب التصنيف: سياسة
تاريخ الخبر: 2022-10-24 00:15:36
مستوى الصحة: 45% الأهمية: 43%

ديربي البيضاء.. الوداد يهزم الرجاء

المصدر: الأول - المغرب التصنيف: سياسة
تاريخ الخبر: 2022-10-23 21:25:36
مستوى الصحة: 60% الأهمية: 65%

شرط وحيد للعودة.. جلسة مصيرية تحسم مستقبل كريستيانو رونالدو

المصدر: اليوم - السعودية التصنيف: سياسة
تاريخ الخبر: 2022-10-23 21:24:51
مستوى الصحة: 47% الأهمية: 64%

ديربي البيضاء.. الوداد يهزم الرجاء

المصدر: الأول - المغرب التصنيف: سياسة
تاريخ الخبر: 2022-10-23 21:25:32
مستوى الصحة: 48% الأهمية: 58%

بنسعيد ولقجع يترأسان نهائي دوري “الطريق إلى المونديال”

المصدر: كِشـ24 - المغرب التصنيف: سياسة
تاريخ الخبر: 2022-10-24 00:15:32
مستوى الصحة: 32% الأهمية: 46%

توقيف خليفة قائد بتارودانت للاشتباه في تورطه بإحدى جرائم الفساد

المصدر: الأول - المغرب التصنيف: سياسة
تاريخ الخبر: 2022-10-23 21:25:29
مستوى الصحة: 48% الأهمية: 51%

تعبئة وتكوين قرابة 5 آلاف عون سلطة لإحصاء الفقراء بالمغرب

المصدر: كِشـ24 - المغرب التصنيف: سياسة
تاريخ الخبر: 2022-10-24 00:15:29
مستوى الصحة: 42% الأهمية: 45%

“كشـ24” تكشف معطيات جديدة بخصوص “عصابة الكنوز” بزاكورة

المصدر: كِشـ24 - المغرب التصنيف: سياسة
تاريخ الخبر: 2022-10-24 00:15:33
مستوى الصحة: 37% الأهمية: 42%

فندق رونالدو في مراكش يتوج بجائزة أفضل فندق جديد بقارة إفريقيا

المصدر: كِشـ24 - المغرب التصنيف: سياسة
تاريخ الخبر: 2022-10-24 00:15:33
مستوى الصحة: 34% الأهمية: 43%

توقيف خليفة قائد بتارودانت للاشتباه في تورطه بإحدى جرائم الفساد

المصدر: الأول - المغرب التصنيف: سياسة
تاريخ الخبر: 2022-10-23 21:25:31
مستوى الصحة: 52% الأهمية: 53%

حاليا بالمغرب.. 186 مصابا بكورونا منهم حالتين حرجتين

المصدر: كِشـ24 - المغرب التصنيف: سياسة
تاريخ الخبر: 2022-10-24 00:15:27
مستوى الصحة: 36% الأهمية: 37%

إعادة اعتماد المساهمة الاجتماعية للتضامن إلى غاية 2025

المصدر: كِشـ24 - المغرب التصنيف: سياسة
تاريخ الخبر: 2022-10-24 00:15:30
مستوى الصحة: 36% الأهمية: 43%

تحميل تطبيق المنصة العربية