Punto crítico (termodinámica)

En química física, termodinámica, química y física de materia condensada, un punto crítico, también conocido como un estado crítico, ocurre en condiciones (como valores específicos de temperatura, presión o composición) en que ningunos límites de la fase existen. Hay tipos múltiples de puntos críticos, incluso puntos críticos líquidos por el vapor y puntos críticos líquidos y líquidos.

Sustancias puras: punto crítico líquido por el vapor

El término "crítico del punto" a veces es usado expresamente para denotar el punto crítico líquido por el vapor de un material, encima del cual las fases líquidas y de gas distintas no existen. Como mostrado en el diagrama de la fase a la derecha, esto es el punto al cual el límite de la fase entre líquido y gas termina. En el agua, el punto crítico ocurre alrededor y 22.064 MPa (3200 PSIA o 218 atm).

Como la sustancia se acerca a la temperatura crítica, las propiedades de sus fases de gas y líquidas convergen, causando sólo una fase al punto crítico: un fluido supercrítico homogéneo. El calor de vaporización es el cero en y más allá de este punto crítico, y por tanto ninguna distinción existe entre las dos fases. En el diagrama de pV, el punto a cual presión de temperaturas y crítica crítica se encuentran se llama el punto crítico de la sustancia. Encima de la temperatura crítica, un líquido no puede ser formado por un aumento de la presión, aunque un sólido se pueda formar bajo la presión suficiente. La presión crítica es la presión del vapor a la temperatura crítica. El volumen de la muela crítico es el volumen de un topo del material a la temperatura crítica y presión.

Las propiedades críticas varían del material al material, y para muchas sustancias puras son disponibles en el acto en la literatura. Sin embargo, la obtención de propiedades críticas para mezclas es más provocativa.

Definición matemática

Para sustancias puras, hay un punto de la inflexión en la isoterma crítica (línea de temperaturas constante) en un diagrama de pV. Esto significa que al punto crítico:

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Es decir los primeros y segundos derivados parciales de la presión p con respecto al tomo V son ambos el cero, con los derivados parciales evaluados a la temperatura constante T. Esta relación puede ser usada para evaluar dos parámetros para una ecuación del estado en términos de propiedades críticas.

A veces un juego de propiedades reducidas se define en términos de propiedades críticas, es decir:

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donde está la temperatura reducida, es la presión reducida, es el volumen reducido y es la constante de gas universal.

Principio de estados correspondientes

Las variables críticas son útiles para escribir una ecuación variada del estado de modo que esto se aplique a todos los materiales, similares a la normalización. El principio de estados correspondientes indica que las sustancias en presiones y temperaturas reducidas iguales tienen volúmenes reducidos iguales. Esta relación es verdad aproximadamente para muchas sustancias, pero se hace cada vez más inexacta para valores grandes de p.

Mesa de vapor líquido temperatura crítica y presión para sustancias seleccionadas

Historia

La existencia de un punto crítico fue descubierta primero por Thomas Andrews en 1869 para el dióxido de carbono. Mostró que CO se podría licuar en 31C en una presión de 73 atm, pero no a una temperatura ligeramente más alta, hasta bajo la presión mucho más alta (hasta 3,000 atm).

Mezclas: punto crítico líquido y líquido

El punto crítico líquido y líquido de una solución, que ocurre a la temperatura de solución crítica, ocurre en el límite de la región de dos fases del diagrama de la fase. En otras palabras, es el punto al cual un cambio infinitésimo de alguna variable termodinámica (como temperatura o presión) llevará a la separación de la mezcla en dos fases líquidas distintas, como mostrado en el diagrama de la fase solvente por el polímero a la derecha. Dos tipos de puntos críticos líquidos y líquidos son la temperatura de solución crítica superior (UCST), que es el punto más caliente al cual la refrigeración inducirá la separación de la fase y la temperatura de solución crítica inferior, que es el punto más frío al cual la calefacción inducirá la separación de la fase.

Definición matemática

Desde un punto de vista teórico, el punto crítico líquido y líquido representa la concentración de temperaturas extremum de la curva de spinodal (como se puede ver en la cifra a la derecha). Así, el punto crítico líquido y líquido en un sistema de dos componentes debe satisfacer dos condiciones: la condición de la curva de spinodal (el segundo derivado de la energía libre con respecto a la concentración debe igualar el cero) y la condición extremum (el tercer derivado de la energía libre con respecto a la concentración también debe igualar el cero o el derivado de la temperatura spinodal con respecto a la concentración deben igualar el cero).

En teoría del grupo de nueva normalización

El punto crítico es descrito por una teoría de campaña conformal. Según la teoría del grupo de nueva normalización, la propiedad de definición de criticality consiste en que la escala de longitud característica de la estructura del sistema físico, también conocido como la duración de correlación ξ, se hace infinita. Esto puede pasar a lo largo de líneas críticas en el espacio de la fase. Este efecto es la causa de la opalescencia crítica que se puede observar ya que la mezcla fluida binaria se acerca a su punto crítico líquido y líquido.

En sistemas en el equilibrio, el punto crítico sólo se alcanza templando exactamente un parámetro de control. Sin embargo, en algunos sistemas de no equilibrio, el punto crítico es un attractor de la dinámica en una manera que es robusta con respecto a parámetros del sistema, un fenómeno mandado a como autoorganizado criticality.

Véase también

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