Gourt Home::Gourt :: Kritischer Punkt (Thermodynamik)
In der Thermodynamik ist der kritische Punkt die Zustandsgröße eines Stoffes, die sich durch Angleichen der Dichten von flüssiger- und Gasphase, kennzeichnet. Ein Unterschied zwischen beiden Aggregatszuständen hört an diesem Punkt auf zu existieren. Im Phasendiagramm stellt der Punkt das obere Ende der Siedepunktskurve dar.
Der kritische Punkt ist durch drei Zustandsgrößen ausgezeichnet,
- der kritischen Temperatur Tc,
- dem kritischen Druck pc und
- der kritischen Dichte ρc beziehungsweise auch dem kritischen Molvolumen Vm, c.
Bei Annäherung an den kritischen Punkt vermindert sich die Verdampfungswärme und verschwindet beim Erreichen ganz. Knapp unterhalb des kritischen Punktes kann man das Phänomen der kritischen Opaleszenz beobachten: Aufgrund der extrem niedrigen Verdampfungswärme wechseln Teile der Substanz ständig zwischen flüssigem und gasförmigen Zustand hin und her, was sich durch eine starke Schlierenbildung äußert.
Mikroskopisch lässt sich das Verhalten jenseits des kritischen Punkts ausgehend von der gasförmigen Phase anschaulich beschreiben: Wird ein Gas einem immer höheren Druck ausgesetzt, so verringern sich die Abstände zwischen den Gasmolekülen. Bei Drücken jenseits des kritischen Drucks ist der Abstand dann gleich dem Abstand der Moleküle in der flüssigen Phase und kein Unterschied zu dieser mehr feststellbar.
Siehe auch: Phasenübergang, Kritischer Exponent
| Stoff | kritische Temperatur in K | kritischer Druck in MPa | kritische Dichte in kg/m3 |
|---|---|---|---|
| Helium | 5,3 | 0,229 | 690 |
| Wasserstoff | 33,3 | 1,297 | 310 |
| Neon | 44 | 2,72 | 484 |
| Stickstoff | 126,1 | 3,394 | 311 |
| Sauerstoff | 155,4 | 5,035 | 410 |
| Fluor | 144 | 5,96 | 630 |
| Argon | 151 | 4,85 | 531 |
| Krypton | 209,4 | 5,88 | 908 |
| Xenon | 289,7 | 6,31 | 1105 |
| Chlor | 417 | 7,69 | 573 |
| Kohlenstoffdioxid | 304,2 | 7,375 | 468 |
| Propan | 370 | 4,24 | 220 |
| Ammoniak | 405,6 | 11,595 | 235 |
| Butan | 425 | 3,78 | 228 |
| Wasser | 647,3 | 22,12 | 317 |
| Ethan | 305 | 4,87 | 207 |
| Ethin (Azetylen) | 308 | 6,4 | 231 |
| Ethen (Äthylen) | 282 | 5,04 | 215 |
| Methan | 190,2 | 4,619 | 163 |
| Die hier dargestellten Messergebnisse verschiedener Gruppen unterliegen teilweise recht großen Schwankungen. | |||
| Substanz | kritische Temperatur in °C | kritischer Druck in atm. |
|---|---|---|
| Luft | -140 | 39 |
| Ethanol (C2H6O) | 216 | 65 |
| Ammoniak (NH3) | 130 | 115 |
| Benzol (C6H6) | 292 | 50 |
| Kohlendioxid (CO2) | 31 | 74 |
| Kohlenmonoxid (CO) | -141 | 35,9 |
| Äther (C4H10O) | 194 | 37 |
| Wasserstoff (H2) | -242 | 20 |
| Stickstoff (N2) | -149 | 35 |
| Sauerstoff (O2) | -118 | 50 |
| Wasser (H2O) | 374,1 | 217,8 |
Experimentelle Beobachtung
Der Übergang in einen überkritischen Zustand läßt sich gut an Kohlendioxid (CO2) beobachten, das in einem dickwandigen Rohr aus Quarzglas eingeschlossen ist. Die kritische Temperatur von CO2 beträgt 31,0 °C, der kritische Druck 73,8 bar.
Bei einer Temperatur unter 31 °C ist das Rohr zum Teil mit flüssigem CO2, zum anderen Teil mit gasförmigem CO2 gefüllt. Beide Phasen sind farblos, klar durchsichtig und durch die deutlich sichtbare Flüssigkeitsoberfläche (Phasengrenzfläche) getrennt. Wird das Rohr in ein Wasserbad von etwa 35 °C getaucht, so läßt sich beim Erwärmen zunächst eine Volumenzunahme der Flüssigkeit durch thermische Ausdehnung beobachten, während das Volumen des Dampfes infolge Kompression abnimmt. Hat das CO2 die kritische Temperatur von 31°C erreicht, so bildet sich kurzzeitig ein dichter Nebel (kritische Opaleszenz), der sich nach wenigen Sekunden wieder auflöst. Das Rohr ist danach mit einer einzigen homogenen, klar durchsichtigen Phase gefüllt: überkritisches CO2. Beim Abkühlen tritt wieder kurzzeitig Nebel auf, bevor sich das CO2 in eine flüssige und eine gasförmige Phase teilt.
Entdeckung
Durch die zunehmende Verwendung von Dampfmaschinen in der Industrie im 18. Jahrhundert wurde zur gleichen Zeit auch die Untersuchung des Siedeverhaltens verschiedener Stoffe für die Wissenschaft von Interesse. So fand man schnell heraus, dass die Siedepunktstemperatur mit steigendem Druck auch ansteigt. So nahm an, dass die Koexistenz von Flüssigkeit und Gas bis zu beliebig hohen Drücken möglich ist.
Diese Annahme wurde um 1860 von dem irischen Physiker und Chemiker Thomas Andrews widerlegt. Anhand von Untersuchungen mit CO2 konnte er zeigen, dass es einen Punkt gibt, ab dem der Unterschied zwischen Gas und Flüssigkeit nicht mehr existent ist und der sich durch eine bestimmte Temperatur, einen bestimmten Druck und eine bestimmte Dichte auszeichnet. Diesen Punkt nannte er krischen Punkt. Kurz darauf gab der niederländische Physiker Johannes Diderik van der Waals eine plausible Erklärung (siehe oben) für das Verhalten von Stoffen im überkritischen Bereich.
Links :
Punt crític | Kritický bod | Critical point (thermodynamics) | Point critique (thermodynamique) | Punto critico | 臨界点 | Kritisch punt | Kritisk punkt | Punkt krytyczny | Критическая точка (термодинамика) | Kritična točka | Kritisk punkt
"Kritischer Punkt (Thermodynamik)"